Aquest article ha estat escrit originalment en castellà. L'hem traduït automàticament per a la vostra comoditat. Tot i que hem fet esforços raonables per a aconseguir una traducció precisa, cap traducció automática és perfecta ni tampoc pretén substituir-ne una d'humana. El text original de l'article en castellà podeu veure'l a Estimación del contenido de nitrógeno en hojas de coliflor por métodos de transmitancia y reflectancia

Estimació del contingut de nitrogen en fulles de coliflor per mètodes de transmitància i reflectància

L. Rivacoba, N. Vázquez, M. L. Suso i A. Pardo, del Servei de Recerca i Desenvolupament Tecnològic Agroalimentari de La Rioja

23/01/2014

La concentració de nitrogen en plantes es determina habitualment a través d'anàlisis químiques, la determinació del N-NO_3- en la saba i la mesura de la clorofil·la com una estimació indirecta del contingut de nitrogen. Actualment, els mètodes de reflectància i fluorescència en regions específiques de l'espectre s'utilitzen per al diagnòstic de l'estat nutricional en nitrogen de les plantes. L'objectiu d'aquest estudi ha estat avaluar la utilització de sensors basats en aquests principis en un cultiu de coliflor.

L'assaig es va dur a terme en la Finca Valdegón, Sidta del Govern de La Rioja, en Agoncillo, l'any 2012. La plantació es va realitzar a l'agost amb un cicle de cultiu de 75 dies i es va dissenyar un experiment totalment aleatorizado amb quatre tractaments de nitrogen disponibles: T1(Nmin inicial), T2 (190 kg N/ha), T3 (270 kg N/ha), T4 (320 kg N/ha). Periòdicament es van realitzar mostrejos de nitrogen en sòl, en planta, nitrat en saba i mesures en fulla amb els sensors Spad, Dualex, Multiplex, i Crop-Circle.

La majoria dels sistemes de recomanació d'abonat nitrogenat en els cultius hortícoles es basen, bé en una anàlisi del N mineral en les primeres etapes del cultiu, o bé en l'estat nutricional de la planta. Una bona revisió d'aquests sistemes pot trobar-se en Schröder et al. (2000). Entre ells, l'anàlisi ràpida de nitrat en saba és un mètode pràctic i simple per realitzar el seguiment del contingut de nitrat en els cultius hortícoles (Rodrigo i Ramos, 2007). La bona correlació observada en molts cultius entre el contingut de N foliar i el de clorofil·la, especialment quan hi ha deficiència de nitrogen (Schepers et al., 1992), ha afavorit l'aparició de sensors que utilitzen la mesura de la clorofil·la com a indicador del nitrogen foliar.

El sensor Multiplex pot obtenir fins a vint paràmetres relacionats amb l'estat fisiològic de la planta.

En els últims anys s'ha observat un progrés significatiu en la recerca i desenvolupament de sensors òptics, útils per determinar l'estat nutricional de N dels cultius. Els mesuradors de reflectància s'empren a nivell de coberta vegetal i les seves mesures estan relacionades amb propietats de la coberta tals com l'índex d'àrea foliar, el contingut de N foliar, la clorofil·la o la biomassa (Lemaire et al., 2008; Jongschaap, 2006). Barker i Sawyer (2010) han indicat la importància del desenvolupament d'algorismes a partir de les mesures de reflectància com a indicadors per al maneig del N en la producció agrícola, però adverteixen que aquests algorismes estan limitats a les condicions de cultiu similars a les quals es van emprar en el seu desenvolupament. Hi ha estudis abundants sobre l'aplicació de les mesures de reflectància per a la gestió de l'abonat nitrogenat en cultius extensius, però són escassos en cultius hortícoles (El-Shikha et al., 2007; Peña et al., 2012). L'objectiu d'aquest treball ha estat avaluar la reflectància i transmitància de fulles i cobertes mitjançant sensors òptics, com a estimadors de l'estat nutricional de nitrogen en un cultiu de coliflor (Brassica oleracea var. botrytis).

Material i mètodes

L'experiència es va dur a terme en la finca del Sidta. Es va utilitzar coliflor var. Barcelona de cicle curt. El sòl de textura franca estava classificat com torripsamments oxiácuico (Soil Survey Staff, 2006). El trasplantament es va realitzar el 13 d'agost en altiplans separats 1,5 m entre eixos, amb dues línies de cultiu per altiplà (0,75x0,6 m), obtenint-se una densitat de 22.222 plantes/ha. El reg es va realitzar per aspersión. Com abonat de pre-plantació es van aplicar 0-150-275 kg/ha d'un complex N-P-K i en cobertera es va realitzar una sola aplicació de fertilitzant nitrogenat als 31 dies des del trasplantament (DDT) en forma de nitrosulfato amònic 26-0-0, a una dosi variable en funció del nitrogen objectiu dels tractaments.

Taula 1. Tractaments experimentals en funció del N objectiu.

El disseny va ser aleatorizado en funció del nitrogen mineral (Nmin) inicial del sòl i constava de quatre tractaments amb quatre repeticions. La parcel·la elemental tenia una superfície de 81 m² i contenia 6 línies de cultiu. Els detalls dels procediments experimentals empleats en la determinació del N mineral en sòl (nitrat i amoni) i N total i N-NO₃^- en plantes es descriuen en Rivacoba et al. (2013). En quatre dates al llarg del cultiu, es van realitzar mesures de clorofil·la en fulla mitjançant els equips Spad (Mod. 502, Minolta), Dualex i Multiplex (Force-A), a les 11:00 h, en una fulla totalment expandida per planta, en deu plantes per parcel·la elemental. Cinc d'aquestes fulles es van trossejar i van barrejar en el laboratori per extreure la saba mitjançant premsatge i una alíquota d'aquesta mostra es va diluir en aigua desionitzada mesurant-se el contingut en N-NO₃^- mitjançant un reflectómetro portàtil RQflex.

El sensor Dualex proporciona tres índexs. L'índex CHL, és un estimador del contingut en clorofil·la per mitjà de la relació de transmitàncies en la fulla entre el vermell i el NIR. L'índex Flav és un estimador del contingut en flavonoides en la fulla que augmenta en condicions de deficiència de nitrogen. L'índex de balanç de nitrogen, NBI, es calcula com la relació entre CHL i Flav. El sensor Multiplex genera fluorescència en els teixits vegetals utilitzant l'excitació de diverses fonts de llum per obtenir fins a vint paràmetres relacionats amb l'estat fisiològic de la planta. En aquest treball s'han utilitzat l'índex SFR-R, que és un estimador del contingut en clorofil·la obtingut per la relació de fluorescència entre el vermell i el vermell llunyà, i el NBI, que es calcula de manera diferent que l'indicat per Dualex i s'obté per relacions de fluorescència.

El sensor Crop Circle mesura simultàniament la reflectància del sòl i del cultiu.

L'1 d'octubre, als 49 DDT, es va realitzar una mesura de reflectància amb l'equip Crop-Circle ACS-430 (Holland Scientific) que mesura simultàniament la reflectància del sòl i del cultiu a 670, 730 i 780 nm. Es van realitzar dos trajectes de 5 m sobre dues línies interiors de cada parcel·la elemental, a una altura de 0,9 m sobre el sòl, la qual cosa suposa un escombratge de 0,75 m a nivell de la superfície del sòl. Aquest sensor proporciona els índexs NDVI i NDRE. L'índex NDVI (Rouse et al., 1973) és un dels índexs de vegetació més utilitzats, i varia entre 0,1 per al sòl nu i 0,9-1,0 en cobertes vegetals plenament desenvolupades. L'índex NDRE és similar al NDVI però utilitza la reflectància a 730 nm en comptes de 670 nm i és sensible als canvis en el contingut en clorofil·la A o en nitrogen de la fulla. Addicionalment es va calcular l'índex de contingut de clorofil·la en la coberta CCCI, a partir del NDVI i del NDRE i per a la seva aplicació s'han utilitzat els coeficients indicats per El-Shikha et al. (2007). L'anàlisi estadística dels resultats, Anova i proves de Student i Tukey s'han realitzat utilitzant el programa Systat12.

Resultat i discussió

El contingut de nitrogen total en les fulles de coliflor ha disminuït significativament (p≤0,001) en tots els tractaments durant el cultiu (Figura 1). Les concentracions observades en el tractament T1 han estat per sota dels valors de nitrogen crític segons el model de Kage et al. (2002) i això justificaria els menors valors de producció comercial obtinguts (dades presentades en Rivacoba et al., 2013).

Figura 1. Concentració de nitrogen total, Ntotal (%), en fulles de coliflor en els diferents tractaments. Les barres verticals indiquen l'error estàndard.

Figura 2. Concentració de N-NO3- (ppm) en saba en fulles de coliflor en els diferents tractaments. IFI: Inici de la formació de la inflorescència...

Figura 2. Concentració de N-NO₃^- (ppm) en saba en fulles de coliflor en els diferents tractaments. IFI: Inici de la formació de la inflorescència. Les barres verticals indiquen l'error estàndard.

Tres dies abans de l'abonat de cobertera, 31 DDT amb la planta en estat de deu fulles, la concentració de N-NO3- en saba oscil·lava entre 2100 i 2600 ppm (Figura 2), superior a la concentració crítica indicada per Hartz (2002) que oscil·la entre 1.000 i 1.600 ppm. Aquesta concentració es va incrementar lleugerament a l'inici de formació de les inflorescències, als 49 DDT, en els tractaments T2, T3 i T4, sent significativament superior al contingut en T1 (Figura 2). Deu dies després, aquests valors van disminuir mostrant diferències significatives entre tots els tractaments. Les concentracions, en els tractaments T2, T3 i T4, van variar entre 1.260 i 2.260 ppm i van ser superiors a les concentracions crítiques en pre-cull indicades per Hartz (2002), la qual cosa explicaria que no s'hagin trobat diferències significatives en la producció. Altres autors (Olsen i Lyons, 1994), van concloure que la concentració de nitrat en saba és un indicador sensible de l'estat nutricional de nitrogen de la planta així com de les variacions del contingut de nitrat en el sòl.

Figura 3. Contingut de clorofil·la en fulles de coliflor, unitats Spad en els diferents tractaments.

En les mesures realitzades amb el sensor Spad, no s'han trobat diferències significatives entre tractaments i dates excepte en la mesura del 23 d'octubre, en collita (Figura 3). Els valors Spad en el T1 disminueixen gradualment al llarg del cultiu des de 63 fins a 54 unitats. Els tractaments T3 i T4, els més fertilitzats, presenten uns nivells estables entorn de 60 unitats Spad. El T2, amb un nivell d'aportació de nitrogen més baix que els anteriors, mostra una gran variabilitat en els resultats i no s'observa cap tendència clara al llarg del cultiu. Existeixen discrepàncies entre els autors quant a l'ús d'aquest mesurador com a guia d'aplicació d'abonat nitrogenat. Així Hartz et al. (1993) en pebrot, Goffart et al. (2006) en escarola i Gianquinto et al. (2003) en patata recomanen el seu ús, mentre que Villeneuve et al. (2002) en bròcoli o Tremblay et al. (2002) en mongeta verda ho desaconsellen per a la recomanació d'abonat.

El sensor Dualex proporciona tres índexs: CHL, Flav i NBI.

En les mesures amb el sensor Dualex, existeixen diferències significatives per als paràmetres CHL i NBI entre dates i entre tractaments enfront del T1. El contingut del nitrogen total en fulla (Figura 1) mostra un descens continuat fins a l'inici de la collita. Aquesta tendència no es detecta en els índexs Dualex, excepte en els valors de NBI en el T1 (Figura 4 A i B). El paràmetre NBI s'ha mostrat més discriminant que el CHL per detectar aquestes diferències.

Figura 4: Contingut de clorofil·la en fulles de coliflor, unitats Dualex: Clorofil·la, CHL (A) i índex de balanç de nitrogen, NBI, (B) en els diferents tractaments. Les barres verticals indiquen l'error estàndard.

L'evolució dels índexs Multiplex, SFR-R i NBI es mostra en la Figura 5 A i B. Existeixen diferències significatives entre dates en tots dos índexs. 21 dies després de l'abonat, l'índex SFR-R del T4 és significativament superior a la resta. Des d'aquest moment fins a la collita, els tractaments T2, T3 i T4 mostren valors significativament superiors a T1. Aquest tractament ha mostrat un índex NBI significativament menor que la resta a partir de l'abonat de cobertera.

Figura 5: Contingut de clorofil·la en fulles de coliflor, unitats Multiplex: Clorofil·la, SFR (A) i índex de balanç de nitrogen, NBI, (B) en els diferents tractaments. Les barres verticals indiquen l'error estàndard.

En els trajectes realitzats als 49 DDT amb el sensor Crop-Circle, no s'han obtingut diferències significatives entre els tractaments per a l'índex NDVI (Taula 2) que és principalment un índex de vegetació que integra la reflectància de sòl i planta, i pot estar influït per l'altura del sensor sobre la coberta vegetal. El tractament T1 ha mostrat un valor de NDRE significativament inferior a la resta (Taula 2). El menor valor suposa un increment en la reflectància a 730 nm que indica un menor valor del contingut en clorofil·la (Fitzgerald et al., 2006). El menor valor del CCCI en el T1 difereix significativament de la resta, indicant un estat deficitari en nitrogen (Taula 2).

Taula 2: Índexs NDVI, NDRE i CCCI calculats a partir dels valors de reflectància a 670, 730 i 780 nm obtinguts en el cultiu de coliflor als quaranta-nou dies des de la plantació.

Conclusions

El contingut de N total en els tractaments T2, T3 i T4 ha estat per sobre del N crític i solament el tractament T1 ha estat deficitari. L'anàlisi ràpida de N-NO₃ en saba va mostrar una gran sensibilitat per detectar les diferències en contingut de N al llarg del cultiu i entre tractaments. Els sensors Dualex, Multiplex i Crop-Circle, van detectar la deficiència de nitrogen en el T1 sent els índexs NBI de Dualex i Multiplex més discriminants que els CHL i SFR-R respectivament. Els valors Spad no van ser capaços de discriminar el tractament deficitari T1 fins a la collita. Aquests resultats suggereixen que la mesura de nitrat en saba i l'ocupació de mètodes de reflectància i transmitància poden ser adequats per a la determinació de deficiències en l'abonat nitrogenat de la coliflor. Aquestes deficiències haurien de ser detectades a temps per ser corregides en la fertilització de cobertera i dependrà del cicle, de l'estat de desenvolupament del cultiu i la tècnica d'aplicació del fertilitzant.

Agraïments

Aquest treball està finançat pel projecte Inia RTA2011-00136.

Referències bibliogràfiques

Barker, D.W., and Sawyer, J.I. (2010). Using activi canopy sensors to quantify corn nitrogen stress and nitrogen application rate. Agron. J. 102, 964-971.
El-Shikha, D.M., Waller, P., Hunsaker, D., Clarke, T., and Barnes, I. (2007). Ground-based remote sensing for assessing water and nitrogen status of broccoli. Agricultural Water Management 92, 183-193.
Fitzgerald, G.J., Rodríguez, D., Christensen, L.K., Belford, R., Sadras, V.O., and Clarke, T.R. (2006). Spectral and thermal sensing for nitrogen and water status in rainfed and irrigated wheat environments. Precision Agric. 7, 233-248.
Gianquinto, G., Sambo, P., and Pimpini, F. (2003). The usi of SPAD 502 chlorophyll ficar for dinamically optimization the nitrogen supply in potato crop: first results. Acta Horticulturae 607, 191-196.
Goffart, J.P., Renard, S., Frankinet, M., Sinnaeve, G., Delvigne, A., and Maréchal, J. (2006). Leaf chlorophyll content measurements for nitrogen fertilization management of curled-leaves endives in open field. Acta Horticulturae 700, 207-211.
Hartz, T.K. (2002). Efficient management for cool-season vegetables. Vegetable Research and Information Center. University of Califòrnia. Davis.
Hartz, T.K., Lestrange, M., and May, D.M. (1993). Nitrogen requirements of drip irrigated peppers. HortScience 28, 1097-1099.
Jongschaap, R.I.I. (2006). Run-estafi calibration of simulation models by integrating remote sensing estimates of leaf area index and canopy nitrogen. Eur. J. Agron. 24, 316.
Kage, H., Alt, C., and Stützel, H. (2002). Nitrogen concentration of cauliflower organs as determined by organ size, N supply, and radiation environment. Plant and Soil 246, 201-209.
Lemaire, G., Jeuffroy M.H., and Gastal, F. (2008). Diagnosi tool for plant and crop N status in vegetative stage. Theory and practices for crop N management. Eur. J. Agron. 28, 614-624.
Olsen, J.K., and Lyons, D.J. (1994). Petiole sap nitrate is better than total nitrogen in dried leaf for indicating nitrogen status and yield responsiveness of capsicum in subtropical Austràlia Aust. J. Experimental. Agriculture. 34, 835 - 843
Peña, M.T., Thompson, R.B., Martínez-Gaitán, C., Gallardo, M. and Giménez, C. (2012). Sistemes òptics de monitoratge de l'estat de nitrogen en meló. Actes d'Horticultura (SECH) 60, 820-824.
Rivacoba, L., Vázquez, N., Suso, M.L., and Pardo, A. (2013). Efecte del nitrogen disponible sobre els components del balanç de nitrogen en un cultiu de coliflor (Brassica oleracea var. Botrytis). VII Congrés Ibèric d'Agroingeniería i Ciències Hortícoles. Madrid, 26-29 Agost, 2013.
Rodrigo, M.C., and Ramos, C. (2007). La mesura de la clorofil·la com a eina per al maneig de la fertilització nitrogenada en els cultius hortícoles. Actes d'Horticultura (SECH) 49, 229-234.
Rouse, Jr. J.W., Haas, R.H., Deering, D.W., Schell, J.A., and Harlan, JC (1973). Monitoring the vernal advancement and retrodegradation (green wave effect) of natural vegetation. Prog. Rep. RSC 1978-1, Remote Sensing Center, Texas A&M Univ., College Station, 93 pàg.
Schepers, J.S., Francis, D.D., Vigil, M.F., and Below, F.I. (1992). Comparison of corn leaf nitrogen concentration and chlorophyll ficar readins. Commun. Soil Sci. Plant. Anal. 23, 2173-2187.
Schröder, J.J:, Neeteson, J.J., Oenema, O., and Struik P.C. (2000). Does the crop or the soil indicate how to save nitrogen in maize production?. Field Crops Research 66, 151-164.
Soil Survey Staff. (2006). Keys to Soil Taxonomy. 10th ed. O.S. Department of Agriculture. Natural Resources Conservation Service. 332 pàg.
Tremblay, N., Dextraze, L, Roy, G., Belec, C., and Charbonneau, F. (2002). Quick nitrogen test for usi on bean and sweet corn crops in Quebec (Canada). Acta Horticulturae 506, 141-146.
Villeneuve, S., Coulombe, J., Bélec, C. and Tremblay, N. (2002). A comparison of sap nitrate test and chlorophyll ficar for nitrogen status diagnosi in broccoli (Brassica oleracea L. spp Italica). Acta Horticulturae 571, 171-177.