pH

De los sustratos evaluados, aquellos con un pH entre 5,5 y 7 (tabla 4) presentan la ventaja de estar dentro del rango adecuado de pH, al cual la mayoría de los nutrientes son solubles y están disponibles para las plantas (^{Savvas & Gruda, 2018}). Entre estos se destacan la cascarilla de arroz, la tuza de palma y los subproductos de coco, cuyos pH cercanos a la neutralidad muestran condiciones óptimas como medio de crecimiento para las plantas (tabla 3).

Todos los materiales minerales presentan un pH ligeramente ácido a fuertemente alcalino, destacándose los sustratos de piedra pómez y perlita, ambos de origen volcánico, por su naturaleza moderada a fuertemente alcalina (tabla 3). A estos pH se pueden generar limitantes en el proceso de absorción de elementos menores por parte de la planta, principalmente hierro, cuya solubilidad es extremadamente baja a pH altos, debido a la formación de hidróxidos, oxihidróxidos y óxidos de hierro (^{Lemanceau et al., 2009}).

Los sustratos minerales presentan pH generalmente más altos que los sustratos orgánicos, lo que refleja la naturaleza ácida de los compuestos orgánicos y los contenidos más altos de cationes alcalinos (Na) y alcalinotérreos (Ca y Mg) en los minerales.

Tabla 3 Propiedades químicas y concentración total de nutrientes de los materiales evaluados 

^Nota:nd: no determinado.

Fuente: Elaboración propia

Los sustratos ácidos resultan más fáciles de manejar que los más alcalinos, si se usan de manera individual, ya que el pH se puede aumentar del mismo modo que se hace en suelos, por la aplicación de cal. Las diferencias en pH en los sustratos podrían ser de utilidad para preparar mezclas y obtener sustratos con pH en el rango apropiado.

Conductividad eléctrica

Con excepción de la tuza de palma y el ladrillo molido, la CE fue menor de 2 dS/m en los sustratos, independiente de su origen (tabla 3). El rango óptimo en sustratos varía entre 0,75 y 1,99 dS/m (^{Abad & Noguera, 2005}). Por encima de 2 dS/m, ^{Ansorena (1994)} indica la presencia de sales solubles que podrían generar riesgo para las plantas por estrés osmótico. Los materiales evaluados no poseen una concentración de sales solubles que limite el crecimiento de las plantas. El ladrillo molido es el sustrato que presenta la mayor concentración de sales; sin embargo, los problemas de salinidad son más fáciles de manejar en sustratos que en suelos y pueden corregirse haciendo abundantes lavados con agua de buena calidad (baja conductividad eléctrica y baja relación de adsorción de sodio). También está la alternativa de hacer mezclas de sustratos de alta y baja conductividad eléctrica.

Concentración total de elementos mayores y menores

La principal diferencia entre los sustratos orgánicos con los minerales es el predominio de carbono y nitrógeno, en los primeros, y de silicio y aluminio, en los segundos, ya que todos los sustratos minerales evaluados corresponden a aluminosilicatos. Para esta caracterización, solamente se determinaron el C, N (tabla 3) y Si (tabla 7) en los sustratos orgánicos, como medida de estabilidad de los materiales en el tiempo. La composición elemental total no es una propiedad química relevante del sustrato desde el punto de vista del suministro de nutrientes para la planta, ya que los sistemas de cultivos sin suelo generalmente involucran planes de fertirrigación. Sin embargo, la concentración de los nutrientes aplicados se ve afectada por la composición química del material, como es el caso del N y P en los sustratos orgánicos, cuya disponibilidad está asociada a las tasas de mineralización del sustrato. Por otra parte, la liberación de algunos elementos presentes en el compuesto sólido orgánico o mineral implicará la descomposición del sustrato y, en consecuencia, su papel como medio físico de crecimiento de las raíces se vería comprometido.

En las tablas 3 y 4 se muestra que, de los demás elementos, el K, Ca, Mg y Na, se encuentran en concentraciones entre el 0,2 % y el 19 %, tanto en sustratos orgánicos como minerales, que resultan del mismo orden que las halladas en materiales geológicos, edáficos y vegetales. El hierro es mucho más alto en los sustratos minerales (0,5-24 %), que en los sustratos orgánicos (< 0,4 %), acorde con la naturaleza del material. Los otros elementos, Mn, Zn, Cu y B están presentes en niveles de trazas (< 0,1 %), tanto en sustratos orgánicos como minerales. Para todos los elementos se evidencia una alta variabilidad entre los diferentes sustratos.

Tabla 4 Concentración total de micronutrientes de los materiales evaluados 

^Nota:nd: no determinado.

Fuente: Elaboración propia

En los sustratos orgánicos se obtuvieron contenidos de C cercanos al 40 %, a excepción de la cascarilla de arroz, con 8 % (tabla 3). La baja concentración de carbono en la cascarilla de arroz también fue reportada por ^{Schmitz et al. (2002)}, con 17 %. Es bien conocido que en este material los óxidos de silicio representan un componente importante (^{Prada-Matiz & Cortés-Castillo, 2010}) y, por eso, el C está por debajo del promedio de los materiales orgánicos.

Los niveles de N son del mismo orden en todos los materiales caracterizados y están dentro del rango normalmente reportado para materia orgánica humidificada (< 1 %) (^{Blume et al., 2016b}), pero muy por debajo del rango usualmente reportado para tejido vegetal fresco (1-5 %) (^{Hawkesford et al., 2012}). Comparativamente, entre los once sustratos orgánicos, el cisco de café y la fibra de palma presentaron los niveles más altos de N total (0,6 %).

Aunque la cascarilla de arroz presentó la más alta concentración de P (4,5 g/kg), está por debajo del rango ideal expuesto por ^{Ansorena (1994)} (4,5 a 10 g/kg) (tabla 3). ^{Okon et al. (2005)} reportaron valores entre 0,7 y 2,2 g/kg de fósforo para cascarilla de arroz quemada.

La concentración total de K, Ca, Mg y Na presenta los niveles esperados para materiales orgánicos, pues sumados corresponden a menos del 2 % de la materia seca. Los sustratos derivados de coco sobresalen por la alta concentración de Na (tabla 3), lo cual puede ser propio de la ecofisiología de la planta que, aunque no se considera halófita, se cultiva extensamente a lo largo de zonas costeras sujetas a la influencia de agua de mar, pudiendo crecer en suelos con altos niveles de cloruro de sodio (^{Ohler, 1999}).

En cuanto a los sustratos minerales, se destaca la alta concentración de K de la perlita (tabla 3), que corresponde a un buen atributo para este material, al tener el potencial de liberar este nutriente en formas disponibles para las plantas y competir con otros iones de características fisicoquímicas similares (valencia y diámetro), tal como el sodio (^{White, 2012}).

La zeolita presenta una alta concentración natural de Na, debido a que esta familia de minerales, dentro de la que se encuentran la natrolita (Na₂Al₂Si₃O₁₀·2H₂O) y la clipnotilolita [(NaKCa_0,5Sr_0,5Ba_0,5Mg_0,5)6(Al6Si₃₀O₇₂)~20H₂O], empleada en este estudio, poseen sodio en su composición. El sodio es también predominante en la piedra pómez. Los niveles de Ca son más altos en la zeolita, mientras que los de Mg lo son en la perlita y la vermiculita. Como los sustratos minerales evaluados son silicatos de muy baja solubilidad, no se espera que liberen fácilmente estos elementos a la solución; sin embargo, la liberación de elementos tanto esenciales como no esenciales para las plantas podría generar toxicidad, en función de las cantidades liberadas. Tal podría ser el caso del Fe y Mn en la vermiculita y el Na en la zeolita y piedra pómez, debido a sus contenidos altos en estos elementos (tabla 3).

Caracterización de las propiedades de intercambio catiónico

La capacidad de intercambio catiónico de los sustratos orgánicos fue baja en las cascarillas de arroz y de palma (cercana a 10 cmol_c/kg) y alta en los sustratos de coco (> 40 cmol_c/kg) (figura 1). De acuerdo con los niveles óptimos de CIC (> 20 cmol_c/kg) (Abad & Noguera, 2005), a excepción de las mencionadas cascarillas, todos los materiales orgánicos presentan una capacidad de retención de cationes adecuada. Al igual que en este estudio, ^{Kroeff et al. (2004)} reportaron una baja CIC en la cascarilla de arroz quemada (8,5 cmol_c/kg), en contraste con ^{Quintero et al. (2011)}, quienes hallaron valores entre 25,5 y 32,5 cmol_c/kg. La baja CIC de la cascarilla de arroz coincide con su baja concentración de carbono total (figura 1), una medida indirecta de la presencia de grupos funcionales de la materia orgánica, que son las partes reactivas de las moléculas orgánicas que participan en la CIC (^{Blume et al., 2016b}).

En contraste con los sustratos orgánicos, los materiales de origen geológico presentan muy baja CIC (< 10 cmol_c/kg), con excepción de la vermiculita y zeolita (27 y 23 cmol_c/kg, respectivamente). Estos dos minerales son silicatos cristalinos que presentan cargas negativas superficiales por sustitución isomórfica, que son independientes del pH del medio (^{Sposito, 2008}). La arena de río se considera un sustrato casi inerte, con baja CIC, debido a que se compone principalmente de cuarzo (99 % de SiO₂), mineral con muy poca sustitución isomórfica y muy baja superficie específica (0,15 cm²/g) (^{Molina, 2014}).

Figura 1 Caracterización del complejo de intercambio catiónico de los materiales evaluadosCA = Cascarilla de arroz, CC = Cisco de café, CF = Fibra de coco, CN = Sustrato fino de coco, CG = Sustrato grueso de coco, CS = Astillas de coco, MA = Astillas de madera, MV = Viruta de madera, PC = Cascarilla de palma, PF = Fibra de palma, PT = Tuza de palma, AR = Arena de río, EC = Escoria de carbón, LM = Ladrillo molido, PE = Perlita, PP = Piedra pómez, VE = Vermiculita, ZE = Zeolita. Fuente: Elaboración propia 

Los materiales que cuentan con una CIC elevada generan condiciones adecuadas de adsorción de cationes, conveniente en el manejo integrado del riego y la fertilización, ya que nutrientes como K, Ca, Mg y NH₄ pueden permanecer retenidos en el complejo de cambio, para luego ser liberados a la solución en el medio de crecimiento y así ser absorbidos por las plantas (^{Silber, 2019}). Al presentarse bajos niveles de CIC y una disminución en el pH del medio, elementos como el potasio y magnesio pueden estar en el agua alrededor de las partículas del sustrato, y no realmente retenidos, favoreciendo la lixiviación de estos nutrientes y, por tanto, la dificultad de ser absorbidos por las plantas (^{Silber, 2019}).

Las superficies de las partículas de los sustratos pueden llevar cargas permanentes o variables (^{Silber, 2019}). Las cargas variables están relacionadas con la desprotonación de grupos funcionales de moléculas como la celulosa, hemicelulosa y lignina, en respuesta a aumentos de pH, lo cual genera cargas negativas. Las cargas variables pueden estimarse como la diferencia entre la CIC determinada con acetato de amonio 1M pH 7 y la capacidad de intercambio catiónica efectiva (CICE) estimada como la suma de cationes intercambiables. Esta diferencia es grande para la mayoría de los materiales orgánicos evaluados (con excepción de las cascarillas de arroz y de palma), con un rango de variación entre 10 y 35 cmol_c/kg, valores que indican la cantidad de cargas negativas que se pueden desarrollar por aumento del pH en el sustrato.

La CICE es considerada una medida de la capacidad de intercambio catiónico al pH del material (^{Blume et al., 2016a}). La diferencia entre ambas medidas (CIC y CICE) está relacionada con la desprotonación de grupos funcionales como respuesta al aumento de pH del material al entrar en contacto con el acetato de amonio a pH 7, lo cual genera cargas variables en función del pH (^{Sposito, 2008}). La carga variable de los sustratos minerales es baja (< 5 cmol_c/kg), ya que para los aluminosilicatos laminares como la vermiculita proviene en más del 80 % de la sustitución isomórfica (^{Prakash, 2002}), y la desprotonación de grupos OH- en los bordes de las arcillas puede ser muy baja, debido a la cercanía entre el pH de estos sustratos (> 7) y el del acetato de amonio con el que se hace la determinación.

La zeolita muestra una CICE mucho más alta que la CIC obtenida con acetato de amonio, lo que podría estar reflejando la solubilización de Ca y Na del mineral, ambos con contenidos totales altos (tabla 3). Esto conlleva a la sobreestimación de los niveles intercambiables de ambos cationes (figura 1) y, por lo tanto, también de la CICE. La alta solubilidad del calcio y el sodio en acetato de amonio ha sido reportada por ^{Schollenberger y Simon (1945)}.

Cationes intercambiables

La figura 1 muestra que en los sustratos orgánicos los niveles de los cationes intercambiables que cumplen el papel de nutrientes para las plantas se consideran altos a muy altos para potasio (1,4-17,5 cmol_c/kg), y medios a altos para calcio (1,8-12,4 cmol_c/kg) y magnesio (1,9 -13,8 cmol_c/kg).

En los sustratos minerales sucede lo contrario, especialmente los niveles de K y Mg resultan bajos. La excepción es el Ca en la zeolita, como se mencionó, y el Mg en la vermiculita. La vermiculita es una arcilla tipo 2:1 trioctaédrica con altos niveles de magnesio dentro de las láminas y de magnesio y potasio entre las capas que conforman la estructura del mineral (^{Prakash, 2002}). La alta concentración de Mg intercambiable ha sido documentada por ^{Peterson et al. (1965)}, quienes la explican por la mayor adsorción selectiva del ion Mg sobre otros iones como el Ca.

La concentración de cationes intercambiables presente en los sustratos orgánicos y minerales (figura 1), al considerarse como contenidos disponibles para las plantas, debe tenerse en cuenta en programas de fertirriego, para hacer formulaciones racionales de las sales nutritivas.

Los niveles de sodio, que en altas cantidades puede resultar perjudicial en el sistema sin suelo (^{Sonneveld & Van der Burg, 1991}), son bajos en los sustratos evaluados. La excepción en los materiales orgánicos son los subproductos del cultivo de coco; la alta concentración de Na intercambiable ya ha sido reportada por ^{Jeganathan (2008)}. Estos sustratos representan también las mayores concentraciones de K, Ca y Mg intercambiables (figura 1). En los materiales minerales la excepción fue la zeolita, cuya alta concentración de Na intercambiable (figura 1) concuerda con el contenido de Na total (19,2 %) (tabla 3). El alto contenido de sodio total en la piedra pómez se refleja en los niveles relativamente altos de este elemento en el complejo de intercambio de cationes, generando un desbalance con el potasio, con una relación Na/K igual a 6.

Concentración de metales pesados

Los contenidos totales de metales pesados en los sustratos evaluados mostraron un rango estrecho de variación para cadmio y selenio, y muy amplio para arsénico, cromo y mercurio (tabla 5). La concentración máxima de metales pesados en el sustrato que es considerada segura puede equipararse con la que se ha establecido para el suelo. En general, todos los materiales orgánicos tienen concentraciones de metales pesados por debajo de la concentración máxima permisible según la norma del Departamento de Ambiente del Reino Unido (^{Nicholson et al., 2003}) (tabla 5), por lo que se pueden considerar inocuos. Tan solo la vermiculita presenta una concentración de cromo muy por encima de la máxima permisible en el suelo (400 mg/kg) según la mencionada norma (tabla 5). Se presume que aquellos materiales con altas concentraciones de un determinado metal pesado presentan un potencial mayor de liberarlo en formas lábiles una vez entre en contacto con agua y con los exudados presentes en la rizosfera, por lo que la alta concentración de cromo debe ser tenida en consideración al elegir este sustrato.

Tabla 5 Concentración total de metales pesados de los materiales evaluados 

^*Concentración máxima permitida de elementos potencialmente tóxicos en suelos después de la aplicación de lodos de depuradora (^{Nicholson et al., 2003}). sd: sin dato

Fuente: Elaboración propia

Las correlaciones entre las propiedades químicas más relevantes de los sustratos y los niveles de metales pesados no resultaron significativas (datos no mostrados), por lo que no se puede relacionar la naturaleza del sustrato o el tipo de material con su toxicidad potencial. La relación positiva entre Fe total y los contenidos de cobalto (r = 0,96) y cromo (r = 0,94) está acentuada por los altos niveles de ambos metales pesados en la vermiculita, que corresponde al sustrato más rico en hierro, al igual que sucede con el boro total (r = 0,89).

Propiedades físicas

De acuerdo con los resultados presentados en la 0, todos los sustratos orgánicos corresponden a materiales livianos y de alta porosidad total, ya que su densidad aparente (D_a) está dentro del rango óptimo del sustrato ideal (0,4-0,6 g/cm³, establecido por ^{Ansorena (1994)}. Los materiales minerales de arena de río, escoria de carbón, ladrillo molido y zeolita están por encima del rango óptimo de densidad aparente. Como lo mencionaron ^{Quintero et al. (2012)}, la D_a es muy importante para el diseño del contenedor, pues esta propiedad determinará las condiciones de resistencia mecánica en las estructuras de las camas de cultivo. El empleo de los materiales con densidad aparente más alta requiere de soportes más resistentes para establecer las camas de cultivo, sobre todo para el caso del ladrillo molido y la zeolita, con D_a igual a 1,0 y 0,8 g/cm³, respectivamente (tabla 6). Sumado a esto, el transporte y manejo de estos materiales requiere un mayor esfuerzo por parte de los operarios de cultivo.

La porosidad más baja (igual o menor a 71 %) se presentó en los sustratos de origen mineral, aunque la perlita, vermiculita y piedra pómez presentaron una porosidad mayor del 80 %. Todos los materiales orgánicos presentaron una porosidad total > 90 %, excepto por la tusa de palma, con 82 %. Esto sugiere que en todos los materiales puede haber un buen desarrollo de raíces y unas condiciones adecuadas para el suministro de agua y oxígeno.

Tabla 6 Análisis físico de los materiales evaluados 

^Nota:D_a = Densidad aparente; D_r = Densidad Real; PT = Porosidad total y CRA = Capacidad de retención de agua.

Fuente: Elaboración propia

A excepción de las cascarillas de arroz y de palma, del cisco de café y del aserrín de madera, los demás materiales orgánicos presentan una capacidad de retención de agua (CRA) mayor a 100 % a 33 KPa de presión (tabla 6), lo cual indica una óptima CRA. En cuanto a los materiales minerales, tan solo la vermiculita presenta una CRA mayor al 100 % a 33 KPa de presión (tabla 6). Las vermiculitas son arcillas expansivas (^{Velde & Meunier, 2008}) que tienen la capacidad de hidratarse, lo que les confiere una alta capacidad de retención de agua (^{Prakash, 2002}). En contraste, los materiales de arena de río y zeolita mostraron los valores más bajos de CRA, con 2,5 y 7,5 % a 33 KPa de presión (tabla 6). Las cascarillas de arroz y de palma y el cisco de café presentan baja capacidad de retener agua (< 40 % a 33 KPa), por lo que para su uso deben ser mejoradas sus propiedades físicas a través de mezclas con materiales de mayor capacidad de retención de agua.

En cuanto a la granulometría, a excepción de la fibra de palma, viruta de madera y astillas de coco, los demás materiales orgánicos presentan tamaños de partícula menor a 8 mm. A excepción de la piedra pómez, todos los materiales minerales contienen más del 65 % de sus partículas con un tamaño menor a 8 mm. De acuerdo con ^{Ansorena (1994)}, los sustratos deben presentar una granulometría de 0,25 a 2,5 mm para ser utilizados en campo. En los materiales más gruesos se puede ajustar la granulometría por medio de procesos de molienda, e inclusive algunos, como piedra pómez, perlita y zeolita, son suministrados por el proveedor con la granulometría deseada.

Propiedades de estabilidad de los materiales orgánicos

Es conveniente tener en cuenta la durabilidad de los sustratos, puesto que los materiales resistentes a la alteración pueden ser reutilizados, reduciendo de esta forma los costos de producción a largo plazo. Dependiendo del sistema de producción, sea cultivo comercial, agricultura urbana o vivero, la estabilidad toma relevancia o no. En procesos de plantulación los ciclos no tardan más de 30 días, mientras que en cultivos como clavel estos son de dos años, tiempo durante el cual es necesario que el sustrato no pierda sus propiedades.

La relación carbono-nitrógeno (C/N) es un indicador del origen, madurez y estabilidad del material orgánico (^{Abad et al., 2002}). En ese sentido, a excepción de la cascarilla de arroz (26,9) todos los materiales presentan una relación C/N mayor a 40, lo cual obedece principalmente a su alto contenido de C y bajo contenido de N (tabla 7). Aunque esta alta relación C/N puede conllevar a una inmovilización del N soluble (^{Abad et al., 2002}), el déficit de N puede ser suplido mediante fertilización (^{Noguera et al., 2000}). En todos los materiales orgánicos el C se encuentra principalmente en forma de celulosa y lignina y, en menor porcentaje, en forma de hemicelulosa (tabla 7). Esta condición puede hacer que los materiales sean más resistentes a la degradación microbiana (^{Abad et al., 2002}), pues, como fue expuesto por ^{Blume et al. (2016b)}, la lignina es un polisacárido altamente resistente a esta degradación.

Tabla 7 Propiedades de estabilidad de los materiales de origen orgánico recolectados 

Fuente: Elaboración propia

La concentración de óxido de silicio (SiO₂) en la cascarilla de arroz está por encima del 25 % (tabla 7), dato que concuerda con lo encontrado por ^{Johar et al. (2012)} y ^{Yalçin y Sevinç (2001)}.

El silicio se ha asociado con complejos de lignina-carbohidrato en la pared celular de la epidermis de arroz, lo que protege y fortalece mecánicamente el tejido de la planta (^{Feng, 2015}). El contenido de Si le otorga a la cascarilla de arroz su gran resistencia a la degradación (^{Quintero et al., 2006}).