Producción hidropónica de papa en fibra de madera para la seguridad alimentaria

npj Science of Food volumen 7, Número de artículo: 24 (2023) Citar este artículo

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La resiliencia de la seguridad alimentaria mundial es una preocupación crítica. Ante el acceso limitado a la tierra y la posible interrupción de los mercados de alimentos, se necesitan sistemas de producción alternativos, escalables y eficientes como amortiguadores complementarios para el mantenimiento de la integridad de la producción de alimentos. El propósito de este estudio fue introducir un sistema de cultivo de papa hidropónico alternativo donde las papas se cultivan en fibra de madera desnuda como medio de cultivo. Se probó un sistema que utiliza riego por goteo y bolsas de plástico como recipientes para tres tipos diferentes de fibra de madera, dos cultivares y dos estrategias de fertirrigación. La implementación del sistema resultó en una producción de tubérculos ~300% mayor en comparación con el cultivo convencional local. La composición mineral de los tubérculos obtenidos del sistema hidropónico fue similar a la composición de los tubérculos cultivados en el campo y reveló potencial para la biofortificación. Además, una estrategia de fertirrigación en la que los dos puntos de aplicación se separaron a lo largo de la zona de la raíz dio como resultado tubérculos con un contenido de materia seca comparable al de las papas cultivadas en el suelo. La reciclabilidad, la reutilización y la simplicidad de esta solución pueden alentar su aplicación para mejorar la seguridad de la producción de alimentos en áreas seleccionadas del mundo, así como su utilización en la agricultura urbana.

En las próximas décadas, la población en expansión y la volatilidad del mercado requerirán mejoras en el sistema alimentario mundial. El sistema alimentario no está equilibrado de forma sostenible y no proporciona suficientes alimentos nutritivos a la población mundial1. Según la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, para 2050, una población mundial prevista de 9.700 millones de personas requerirá un 70 % más de alimentos de los que se consumen hoy, y un 100 % más en los países en desarrollo2. Para asegurar un suministro suficiente de alimentos para los consumidores de todo el mundo, cada vez más áreas se han convertido actualmente en tierras agrícolas, a menudo a expensas de dañar los hábitats naturales de gran biodiversidad. Es cuestionable si convertir más tierra para producir más alimentos contribuye a la seguridad alimentaria3. Godfray y Garnett4 señalaron que el objetivo de aumentar la producción de alimentos debe estar limitado por otros objetivos igualmente importantes para el mantenimiento de la sostenibilidad y el equilibrio. La producción de alimentos debe intensificarse de manera sostenible, es decir, debe lograrse con un impacto menor en la degradación de los ecosistemas, el cambio climático y la disminución de los recursos de tierra y agua. Las preocupaciones ambientales, por otro lado, están desafiando la seguridad alimentaria de la población en rápido crecimiento.

La tasa de urbanización sin precedentes altera los sistemas alimentarios a nivel mundial5, particularmente en el África subsahariana y el sur de Asia6. La urbanización desencadena cambios en la demanda de alimentos hacia productos más nutritivos y procesados, convierte las tierras agrícolas en áreas residenciales o industriales y forma vínculos de mercado más complejos6. Con un acceso limitado a la tierra utilizada para la agricultura en las zonas urbanas y con una mayor dependencia del transporte y la infraestructura, los alimentos se producen de forma más intensiva en las tierras agrícolas restantes7 o se producen en zonas urbanas y periurbanas en tierras no clasificadas como agrícolas. De hecho, la agricultura urbana y periurbana tiene un papel importante en la seguridad alimentaria y nutricional de cientos de millones de habitantes urbanos en la mayoría de los países de bajos ingresos8, aunque en muchas ciudades se ha vuelto difícil acceder a la tierra necesaria para la agricultura9. Por lo tanto, existe la necesidad de introducir sistemas de cultivo alternativos y soluciones tecnológicas para producir alimentos en áreas con recursos de tierra limitados.

La papa es el tercer cultivo alimentario más importante en términos de consumo mundial, y ha sido altamente recomendado por la FAO como un cultivo de seguridad alimentaria mientras el mundo enfrenta desafíos de una población en crecimiento y perturbaciones en el suministro de alimentos10,11. Según la FAO, las papas generan más rendimiento por unidad de tierra de cultivo en menos tiempo que cualquier otro cultivo importante2. A pesar de la disminución constante del área de producción mundial de papa, en 2020, se produjeron más de 360 ​​millones de toneladas en todo el mundo, lo que muestra un aumento sustancial con respecto a los 329 millones de toneladas en 201012. Millones de agricultores dependen de las papas tanto para su alimento como para su ingreso en efectivo. Mientras tanto, a diferencia de los principales productos básicos de cereales, está ausente en las principales bolsas internacionales de productos básicos, lo que significa que su suministro no se ve afectado por las actividades especulativas del mercado. La papa es uno de los cultivos globales con el patrón de distribución más diverso13. Se ha demostrado que el cultivo de patata (y batata) ayudó a intensificar y diversificar los sistemas alimentarios locales que de otro modo estarían dominados por los cereales, como en Asia, ayudando a fortalecer su capacidad para resistir y recuperarse de la crisis14. En su reciente artículo de opinión extraído de la situación en el mercado de alimentos durante la pandemia de COVID-19, Heck et al.15 indicaron que las innovaciones agrícolas deberían centrarse en satisfacer las necesidades de los pobres y que utilizar papa y batata biofortificadas mejoraría la nutrición y la salud. medios de subsistencia durante tales crisis.

Aunque las papas, originarias de las regiones de gran altitud de América del Sur, se pueden producir en condiciones de crecimiento difíciles, su rendimiento y calidad son sensibles tanto al exceso como al déficit de agua del suelo16. Además, debido a los cambios climáticos en curso y previstos, las pérdidas más significativas en la idoneidad de la tierra para la producción de papa se producirán en el sur de África, la India y las tierras altas tropicales17,18. Por lo tanto, es urgente explorar sistemas de producción alternativos para mantener la seguridad alimentaria mundial en los escenarios de emergencia futuros, incluida la expansión de áreas para la producción de papa, utilizando tierras con clima inadecuado o suelos degradados y contaminados.

La hidroponía es un método de cultivo sin suelo en el que las plantas se cultivan utilizando una solución nutritiva. Este sistema de producción elimina la dependencia de las tierras y suelos agrícolas, reduce la presencia de enfermedades y puede mitigar los efectos negativos de los fenómenos meteorológicos extremos utilizando una solución de nutrientes dosificada con precisión (fertirrigación). El uso de fertirrigación por goteo también puede reducir significativamente las pérdidas por lixiviación de N debido a la disminución de las necesidades de riego y fertilizantes19. Recientemente, la aeroponía, un tipo de sistema de producción en el que se proporciona una solución nutritiva en la zona de la raíz en forma de aerosol, se ha utilizado para la producción de patatas de siembra20. La NASA también ha investigado el fertirriego de papas basado en aerosoles como una estrategia propuesta para sistemas de soporte vital en bases extraterrestres21 A diferencia de la aeroponía, donde los tubérculos y las raíces de la planta de papa cuelgan de una zona de soporte, en hidroponía, medios de cultivo o Los "sustratos" proporcionan un entorno radicular óptimo, lo que garantiza una aireación adecuada, agua y suministro de nutrientes, lo que hace que el cultivo sea menos complicado. Tradicionalmente, el cultivo hidropónico sin suelo utiliza turba o fibra de coco. La fibra de madera producida a partir de especies de árboles de madera blanda es una materia prima alternativa, renovable y reciclable con una huella de carbono más baja que la turba o el bonote22. Este material también se sometió a una prueba de factibilidad inicial como medio potencial para el crecimiento de la papa y mostró resultados prometedores23.

El propósito del presente trabajo es proponer un sistema de cultivo de papa hidropónico alternativo, donde las papas se cultivan en fibra de madera desnuda. Este sistema no depende de las tierras agrícolas y tiene potencial para reducir las pérdidas de agua, por lo que los formuladores de políticas podrían considerarlo como una herramienta para mejorar la alimentación en áreas con recursos de tierra limitados o adoptarlo los practicantes de la agricultura urbana. Se ha probado una hipótesis de investigación que afirma que la calidad de las papas producidas hidropónicamente es diferente a la producción convencional en suelo. Se describen los detalles técnicos del sistema para su fácil replicación, mientras que se describen varios desafíos y oportunidades relacionados con este tipo de producción para posibles mejoras futuras.

El sistema de cultivo hidropónico (Fig. 1), descrito en detalle en la sección de métodos, desató el potencial de rendimiento de los cultivares probados en el sitio experimental y produjo hasta un 300 % más de peso fresco que la referencia de campo para el cultivar Celidonia (cv.A ) y hasta 200% para el cultivar numerado mejorado (cv.B; Fig. 2a, d). Entre las dos estrategias de fertirrigación probadas, el método que administró toda la solución nutritiva en la parte superior del recipiente con un solo goteo arrojó un 30 % más de rendimiento de materia fresca que los métodos que proporcionaron agua y nutrientes en dos niveles con dos goteros. Sin embargo, los últimos métodos produjeron tubérculos con un contenido de materia seca significativamente mayor (Fig. 2b, e). Esto se tradujo en el hecho de que, en términos de rendimiento de materia seca, los dos métodos de fertirrigación evaluados fueron bastante similares (Fig. 2c, f). No se detectaron diferencias significativas entre los tres sustratos probados, sin embargo, se debe notar una variación intra-tratamiento considerable. Tanto el rendimiento como el contenido de materia seca del cv.B fueron significativamente más bajos en comparación con el cv.A, lo que sugiere un mayor potencial de mercado para este último.

El esquema de la unidad del sistema de crecimiento (a) no es una representación completa de la unidad, pero está simplificado para una visualización más clara de sus componentes. Las fotografías del diseño del experimento hidropónico se tomaron (b) después de la siembra y (c) antes de la cosecha.

El rendimiento de materia fresca (paneles: a, d), el contenido de materia seca (b, e) y el rendimiento de materia seca (c, f) se presentan por planta (n = 3) para dos cultivares de papa distintos: celidonia (a–c ; cultivar A) y cultivar numerado (d–f; cultivar B). Los métodos de producción incluyeron el control de campo en el suelo (S), así como un sistema hidropónico de goteo y dos de goteo (ver la sección de Métodos para más detalles) en tres sustratos de fibra de madera: Florentaise (F), Hunton (H) y Pindstrup (P); n representa el tamaño de la muestra, y las diferentes letras minúsculas en los diagramas de caja representan diferencias significativas entre los tratamientos con un nivel de significación del 5 %. Las líneas verticales en los diagramas de caja indican la variabilidad fuera de los cuartiles superior e inferior, y cualquier punto fuera de esas líneas se considera un valor atípico. El símbolo × en las casillas indica la media muestral; los círculos pequeños representan puntos de datos individuales.

El contenido de materia seca de los tubérculos fue relativamente menor en el sistema hidropónico ya que los tubérculos estaban menos maduros en la cosecha y recibieron dosis de nitrógeno más altas que los cultivados en el campo. Esta diferencia también se reflejó en la composición mineral de los tubérculos (Fig. 3, Fig. 1 complementaria). Los contenidos de nitrógeno y fósforo fueron menores en los tubérculos más maduros de producción convencional, mientras que el contenido de potasio fue similar en ambos sistemas. Si bien el contenido de nitrógeno no difirió entre los dos métodos de riego, el contenido de fósforo y potasio sí lo hizo, alcanzando niveles más altos en el tratamiento de riego por goteo. Nuevamente, las diferencias entre los tres tipos de fibra de madera probados no fueron significativas, con una tendencia del sustrato Florentaise (F) a soportar la entrega de un poco más de macronutrientes que los otros dos sustratos (sustrato Hunton - H y sustrato Pindstrup - P).

Se presenta el contenido de nitrógeno (N; paneles: a, d), molibdeno (Mo; b, e) y hierro (Fe; c, f) en materia seca para dos cultivares de papa distintos: celidonia (a–c; cultivar A) y cultivar numerado (d–f; cultivar B). Los métodos de producción incluyeron el control de campo en el suelo (S), así como un sistema hidropónico de goteo y dos de goteo (ver la sección de Métodos para más detalles) en tres sustratos de fibra de madera: Florentaise (F), Hunton (H) y Pindstrup (P); n representa el tamaño de la muestra, y las diferentes letras minúsculas en los diagramas de caja representan diferencias significativas entre los tratamientos con un nivel de significación del 5 %. Las líneas verticales en los diagramas de caja indican la variabilidad fuera de los cuartiles superior e inferior, y cualquier punto fuera de esas líneas se considera un valor atípico. El símbolo × en las casillas indica la media muestral; los círculos pequeños representan puntos de datos individuales. Consulte la Fig. 1 complementaria para obtener más detalles sobre la composición mineral de los tubérculos.

La mayoría de los micronutrientes estaban en un nivel similar tanto en el sistema hidropónico como en el control de campo (Figura 1 complementaria). Las dos excepciones interesantes fueron el molibdeno, mucho más alto en los tubérculos producidos en fibra de madera, y el hierro, más alto en los tubérculos cultivados en el campo (Fig. 3). Pasaba más agua a través de la zona de los tubérculos en el tratamiento de un solo goteo, lo que llevó a una mayor acumulación de nutrientes en los tubérculos producidos con este método. Las diferencias entre los sustratos no son significativas. Sin embargo, una absorción de nutrientes ligeramente mayor conduce a una mayor acumulación de materia seca en el sustrato de fibra F.

Hubo una clara diferencia en la estructura de rendimiento de los tubérculos cultivados en un experimento hidropónico y en condiciones de campo, y el sistema hidropónico favoreció la producción de los tubérculos más grandes (Fig. 4a, b). Esta diferencia fue más clara para el cv.A que para el cv.B. En la producción convencional de cv.A, alrededor del 80% de los tubérculos se clasificaron en las categorías de tamaño más pequeño de 25 a 50 g, mientras que en la producción hidropónica, los tubérculos se distribuyeron de manera más equitativa (Fig. 4a). En el cv.B casi todos los tubérculos fueron clasificados como pequeños (Fig. 4b). Se notó la ausencia de las papas más grandes (>60 g) para el cv.A cultivado convencionalmente, mientras que el sistema hidropónico produjo hasta el 20% del rendimiento total en esta clase de tamaño, lo que se tradujo en una porción sustancial del rendimiento total (Fig. 4a).

Distribución del rendimiento del tubérculo (paneles: a, c) presentado en % del rendimiento total, y rendimiento del tubérculo (b, d) presentado en g por planta (n = 3) en dos cultivares de papa distintos: celidonia (a, b; cultivar A) y cultivar numerado (c, d; cultivar B). Los métodos de producción incluyeron el suministro de agua natural en el control de campo por precipitación (P), así como un sistema hidropónico de goteo y dos de goteo desplegados solo en la zona de tubérculos (T) y en la zona de tubérculos y raíces (TR), respectivamente (consulte la sección Métodos para detalles); n representa el tamaño de la muestra, y las diferentes letras minúsculas en los diagramas de caja representan diferencias significativas entre los tratamientos con un nivel de significación del 5 %. Las líneas verticales en los diagramas de caja indican la variabilidad fuera de los cuartiles superior e inferior, y cualquier punto fuera de esas líneas se considera un valor atípico. El símbolo × en las casillas indica la media muestral; los círculos pequeños representan puntos de datos individuales. La función spline se envolvió sobre los valores medianos de varios tratamientos para ayudar a la percepción visual de los resultados.

En el cv.A, no se observaron diferencias reales en la estructura de rendimiento entre los dos métodos de riego, mientras que en el cv.B el tratamiento de 2 goteo produjo tubérculos ligeramente más grandes (Fig. 4a, c). Curiosamente, hubo una diferencia en la distribución del rendimiento entre los dos métodos de riego. La producción de cv.A con un solo goteo dio mayores rendimientos en las dos fracciones más grandes que en el riego con dos goteo, lo que explica la diferencia en el rendimiento total entre los dos métodos (Fig. 4b). En el cv.B, el riego por goteo condujo a un alto rendimiento de los tubérculos en la clase de tamaño más pequeño, mientras que el método de riego por goteo favoreció la producción de los tubérculos de mayor tamaño (Fig. 4d).

Todas las variables disponibles que describen el experimento hidropónico se sintetizaron utilizando un método de clasificación multivariado (PLS-DA, consulte la sección de métodos para obtener más detalles). Los resultados mostraron una clara diferencia entre los dos métodos de riego aplicados (Fig. 5a). La diferencia estaba contenida en el componente 1, que explicaba el 10% de la varianza total del modelo y conducía a la mejor discriminación de los grupos de tratamiento de riego. El componente 2 explicó casi el 35% de la variación y estuvo influenciado principalmente por la diferencia entre los dos cultivares probados. Otros componentes, aunque explicaron una parte sustancial de la variación, no tuvieron una gran influencia en el modelo ya que sus cargas de correlación estaban por debajo de 0,5 y el error de predicción aumentó gradualmente (datos no mostrados). No obstante, el componente 3 se atribuyó a la acumulación de minerales en los tubérculos y el componente 4 a la calidad de los sustratos.

La diferencia entre los métodos de fertirrigación que utilizan un sistema hidropónico de goteo y dos de goteo desplegados solo en la zona de tubérculos (T) y en la zona de tubérculos y raíces (TR), respectivamente, se analizaron utilizando (a) un gráfico de puntuación de análisis discriminante de mínimos cuadrados parciales (PLS-DA). Las más influyentes entre las variables analizadas se seleccionaron utilizando (b) puntajes VIP calculados a partir de PLS-DA. Los puntajes VIP más altos indicaron variables con más importancia para el modelo. El código de color de las puntuaciones muestra qué clase tuvo valores más altos de una variable original determinada.

El método analítico utilizó puntajes VIP y resaltó las variables más influyentes afectadas por las estrategias de fertirrigación, indicando cuál de los dos métodos de riego condujo a un nivel más alto de una variable en particular (Fig. 5b). El método de riego por goteo condujo a una mayor acumulación de biomasa y minerales en los tubérculos. Dos riegos por goteo proporcionaron una condición de zona de tubérculos que no era adecuada para la acumulación excesiva de agua en los tubérculos. Los tubérculos producidos en estas condiciones presentaron mayor contenido de materia seca. Además, la zona de raíces era más densa y penetraba la mayor parte del medio de cultivo disponible. Menos agua en la zona del tubérculo condujo a lenticelas relativamente menos hinchadas y mejor resistencia a enfermedades en el sistema de 2 gotas. La costra plateada fue la enfermedad que más diferenció a los dos sistemas de riego, ya que se sabe que se transmite a través de las lenticelas hinchadas24. El método de un solo goteo fue más exitoso en la asimilación de nutrientes en los tubérculos. Potasio, calcio, boro, magnesio y zinc fueron los nutrientes que más diferenciaron los dos métodos de riego. La zona de los tubérculos en las bolsas fertirrigadas con este método fue ligeramente más profunda que en las bolsas fertirrigadas con 2 gotas. Este análisis también mostró que el riego por 2 goteo condujo a una mayor cantidad de tubérculos en la fracción de tamaño preferido por el consumidor de 40 a 50 g, mientras que el método de 1 goteo produjo más tubérculos de tamaño pequeño (25 a 40 g).

El experimento mostró que las plantas no utilizaron todo el espacio del contenedor para la producción de tubérculos, los tubérculos de la progenie se concentraron solo alrededor de 20 a 25 cm alrededor de la semilla de papa. Las raíces, por otro lado, crecieron a lo largo de todo el contenedor y principalmente en el fondo. En general, los tubérculos cosechados de la producción hidropónica en sustratos a base de fibra de madera no presentaron problemas de calidad. Sin embargo, algunos tubérculos mostraron ciertos desafíos de ese sistema, incluida la aparición de varios tipos de defectos y enfermedades, que se muestran visualmente en la Fig. 6 y se enumeran en la Tabla complementaria 1.

En comparación con (a) el control de campo, los defectos y enfermedades observados en los tubérculos incluyeron: (b) tubérculos grandes (>60 g), (c) deformaciones, (d) grietas, (e) enverdecimiento, (f) enfermedad de la mancha marrón interna , (g) enfermedad de pudrición seca, (h) decoloración, (i) lenticelas agrandadas, (j) enfermedad de pudrición blanda.

En comparación con la referencia de campo (Fig. 6a), algunos tubérculos cultivados en el sistema hidropónico tendieron a ser grandes (>60 g), (Fig. 6b), lo que en promedio representó el 16,4 % del rendimiento total (Fig. 4a). Además, el 6% del rendimiento del tubérculo se encontró deformado (Fig. 6c, Tabla complementaria 1). Las amplitudes de temperatura y humedad relativamente altas existentes en el entorno de la raíz del sistema hidropónico llevaron a la formación incidental de grietas de crecimiento en algunos de los tubérculos (Fig. 6d), pero comprendieron solo el 1% del rendimiento total (Tabla complementaria 1). Algunos tubérculos (1% sobre la base del rendimiento) del cv.A crecieron junto a las paredes del contenedor y, por lo tanto, estaban parcialmente verdes durante la cosecha (Fig. 6e, Tabla complementaria 1). Se registraron algunos tubérculos cv.B con pigmento púrpura parcialmente ausente (Fig. 6h). Solo los tubérculos individuales de cv.A fueron infectados por enfermedades de condiciones secas, como la enfermedad de la mancha marrón interna (Fig. 6f) y la enfermedad de pudrición seca (Fig. 6g), consulte la Tabla complementaria 1. En cv.B por otro lado, lenticelas cubiertas de maleza (Fig. 6i) y pudrición blanda, desarrollada en ca. El 5% del rendimiento total del tubérculo después de tres meses de almacenamiento (Fig. 6h, Tabla complementaria 1), indicó condiciones de crecimiento húmedo.

La producción hidropónica de papas en sustratos a base de fibra de madera, como se presenta aquí, es una solución sencilla y escalable para mitigar la inseguridad en los mercados de alimentos en constante crecimiento, que se profundiza gradualmente por la disminución de los recursos de la tierra o emergencias agudas. Un estudio reciente mostró que, si bien la demanda mundial de alimentos continúa aumentando debido al crecimiento de la población y otros problemas socioeconómicos, el máximo potencial de producción de cultivos alcanzable ha alcanzado su punto máximo en la mayoría de las regiones del mundo25. Como la tierra agrícola se ha utilizado casi hasta sus límites, la urbanización ha presionado aún más el suministro de alimentos y se ha apoderado de la tierra fértil5. Además, la producción de suficientes alimentos para la población en constante crecimiento en las áreas agrícolas disponibles se ve desafiada por el mercado de cultivos no alimentarios, como los cultivos energéticos o industriales. A menudo compiten con los cultivos alimentarios por la limitación de los recursos naturales, en particular el agua y la tierra26. Mientras tanto, el marco de la intensificación sostenible requiere que se limite una mayor explotación de los hábitats naturales para la expansión de las tierras agrícolas. Esto está alejando potencialmente a los nuevos sitios de producción de alimentos de los centros de consumo y está desafiando un aspecto importante de la seguridad alimentaria: la distribución de alimentos. Para el año 2050, se espera que el 68 % de la población mundial viva en ciudades2 debido a que un número cada vez mayor de personas migran de las áreas rurales donde típicamente vivían de la tierra. En consecuencia, cientos de millones de habitantes urbanos dependen de la agricultura urbana para parte de su consumo de alimentos o ingresos mientras procesan y distribuyen sus excedentes8. En consecuencia, la agricultura urbana se considera comúnmente como un contribuyente importante para la futura seguridad alimentaria mundial, lo que coloca a los alimentos al frente del nexo Agua-Energía-Alimentos27. Por lo tanto, existe un creciente interés mundial en ampliar la agricultura urbana, lo que se ve fomentado gradualmente por las perspectivas de protección ambiental, gestión de desechos y reducción de costos de energía28.

Sin acceso a tierras fértiles en áreas urbanizadas, la agricultura urbana requiere innovaciones tecnológicas como el cultivo interior vertical o la agricultura de precisión para optimizar la producción de alimentos29. Sin embargo, para millones de pequeños agricultores, se necesitan sistemas de cultivo alternativos, simples pero eficientes con una huella ambiental mínima. La accesibilidad de los componentes y materiales del sistema puede ser problemática en áreas particulares, sin embargo, con el apoyo de los gobiernos locales, la ayuda internacional o las organizaciones benéficas, no solo las granjas comerciales, sino también los pequeños productores pueden implementar la producción de alimentos hidropónicos simples.

En general, una producción agrícola cerrada sin suelo puede tener beneficios sobre la producción convencional bajo ciertas circunstancias. Los sistemas hidropónicos están, en principio, menos influenciados por las condiciones climáticas que se ven mitigadas por la dosificación oportuna de agua y fertilizantes que previenen los efectos negativos del exceso de precipitaciones de la sequía. Esto proporciona una buena previsibilidad de la producción. Las concentraciones más altas de Mo observadas en los tubérculos hidropónicos (Fig. 3b, e) confirmaron que el uso de sistemas hidropónicos abre posibilidades para la implementación directa de estrategias de biofortificación de alimentos ricos en calorías, lo cual es de especial interés para las sociedades vulnerables30.

El sistema hidropónico diseñado y probado en este estudio incluye pequeñas bolsas redondas de fibra de madera envueltas en plástico como medio de cultivo (Fig. 1). El despliegue de un sistema de este tipo en áreas con tasas de evaporación relativamente altas aumentará potencialmente la eficiencia en el uso del agua y ahorrará recursos hídricos. La porosidad relativamente alta de la fibra de madera permite que entre aire en la zona de raíces y favorece la formación de alto rendimiento (Fig. 2). Por otro lado, para alcanzar suficiente humedad en la zona radicular, se necesita un alto grado de riego excesivo. Esto conduce a un drenaje considerable, que en el futuro desarrollo del sistema debe capturarse y reciclarse para mejorar la eficiencia del uso del agua.

Un sistema de cultivo alternativo eficiente tiene el potencial de complementar la producción de papa convencional y actuar como un amortiguador que respalda la resiliencia de las cadenas del mercado alimentario. Esto es especialmente importante ya que el cambio climático puede reducir o destruir los cultivos producidos de forma convencional. Por ejemplo, el sur de África y América del Sur han experimentado extremos recientes en temporadas de lluvias secas y húmedas31, que se han atribuido a mecanismos físicos globales como El Niño-Oscilación del Sur, la temperatura de la superficie del mar y la retroalimentación tierra-atmósfera32. Dichos cambios en los patrones de temperatura y precipitación pueden desencadenar fenómenos meteorológicos extremos que podrían afectar la producción de alimentos33.

Tradicionalmente, la producción de alimentos hidropónicos sin suelo utiliza sustratos orgánicos como turba y fibra de coco para una variedad de cultivos, o sustratos minerales, como lana de roca, que generalmente se usa en la producción profesional de cultivos de alto valor como tomates, pimientos y pepinos. Estos sustratos brindan un entorno radicular óptimo al garantizar una aireación adecuada, disponibilidad de agua y suministro de nutrientes; sin embargo, su producción tiene una huella de carbono alta34. La fibra de madera, por su parte, el sustrato sugerido aquí para el cultivo de la patata, es una materia prima renovable y reciclable. Tiene la huella de carbono más baja entre las materias primas disponibles utilizadas en la industria de los medios de cultivo y se sugiere cada vez más como un medio de cultivo importante para la producción de plantas22,34.

La fibra de madera se caracteriza por la mayor porosidad entre los sustratos orgánicos conocidos para la producción de plantas hidropónicas22, lo que evita el encharcamiento y crea las condiciones más óptimas para el crecimiento de raíces y tubérculos donde se aplican estrategias de fertirrigación menos precisas. La densidad aparente relativamente baja y la alta porosidad de la fibra de madera favorecen una alta concentración de oxígeno alrededor de los tubérculos que permite alcanzar el potencial de rendimiento y aumentar la productividad de las plantas de papa22. En un estudio reciente35, los autores observaron que la composición mineral de los tubérculos puede verse afectada por el tipo de sistema de producción (convencional vs hidropónico). Por ejemplo, se encontró una mayor concentración de P en tubérculos cultivados en sistema de producción hidropónico, lo cual está de acuerdo con el presente estudio. A diferencia de otros medios orgánicos como la turba y el bonote, la capacidad amortiguadora de la fibra de madera es baja, por lo que un productor puede controlar con relativa facilidad el pH de la zona de la raíz y la absorción de nutrientes específicos que, por ejemplo, podrían utilizarse con fines de biofortificación30. Debido a este hecho, la diferencia en el pH puede ser responsable de la absorción variable de macronutrientes en el presente estudio y el estudio de Liszka-Skoczylas et al.35. Además, la fibra de madera producida en el proceso de desfibrado es estéril, por lo tanto, se minimiza la presión de las enfermedades transmitidas por el suelo22. Además, la separación de los tubérculos del sustrato en el momento de la cosecha es sencilla, y los tubérculos pueden simplemente enjuagarse con agua corriente y estar listos para el consumo. Curiosamente, el medio de cultivo a base de fibra usada se puede utilizar en varios ciclos de cultivo36. De lo contrario, el sustrato a base de fibra sobrante se puede utilizar después de la producción de la planta como combustible o aditivo del suelo debido al contenido de sales residuales (nutrientes).

Aunque se prevé que la usabilidad más alta del sistema se lleve a cabo en áreas tropicales densamente pobladas con recursos madereros sostenibles limitados, no recomendamos el uso de especies de madera locales para producir fibra. La madera blanda que normalmente crece en latitudes altas ha demostrado ser adecuada para producir fibra para la producción hidropónica22. Normalmente, la fibra de madera después de ser fabricada está relativamente seca y puede transportarse comprimida, lo que reduce su huella de carbono. Alternativamente, otros componentes de la biomasa, como el miscanthus, se pueden utilizar con éxito como medio de cultivo37. Además, en áreas urbanas, la madera de desecho industrial (p. ej., paletas, madera sin tratar de la industria del mueble) procesada por molinos de martillo puede considerarse como una fuente potencial sostenible de materias primas para la producción de sustratos de cultivo.

El sistema de producción presentado tiene un diseño simple de baja tecnología destinado a una implementación sencilla en la práctica. Suministrado con fibra de madera, se requiere que un agricultor llene una bolsa de plástico con el medio de cultivo y lo comprima. Se sugiere la compresión de fibra y el color blanco del plástico en el exterior de la bolsa para limitar las amplitudes de alta temperatura y humedad.

Los tubérculos-semilla se han plantado en los bolsillos, realizados mediante incisiones en el lateral de las bolsas, ya que la idea original era probar la viabilidad de colocar las bolsas una encima de la otra para ahorrar espacio en el cultivo vertical. Notamos que un tubérculo con semillas profundas desafía el desarrollo del estolón y reduce el rendimiento futuro, ya que algunos de los estolones seguramente crecerán debajo de la bolsa de plástico. En la práctica, puede ser necesario sacar manualmente los estolones de debajo de la cubierta de plástico. Este sistema se basa en envolturas de plástico que deben reciclarse; sin embargo, en varias partes del mundo esto puede ser un desafío. En un mayor desarrollo del sistema, se recomienda cambiar una simple bolsa de plástico por una lona reutilizable o un envoltorio de plástico compostable para reducir el impacto ambiental de este tipo de producción.

Aunque en nuestro experimento utilizamos un sistema de fertirrigación estándar de la industria de grado de invernadero, la producción hidropónica en fibra de madera no requiere una gran inversión en equipos. La bomba de diafragma más barata, una válvula venturi y un temporizador cíclico se pueden comprar en el mercado mundial por tan solo 5 $, 5 $ y 3 $, respectivamente. La escala de implementación determinaría el tamaño de la bomba y la tubería. El costo de las mangueras de agua y las válvulas de goteo se estima en 0,5 $ por bolsa. Según el profesor. BE Jackson de NCSU, EE. UU., muchos, si no la mayoría, de los productos a base de madera ofrecen una alternativa muy competitiva o más barata a los materiales de sustrato tradicionales". de fertilizante para alimentar una sola bolsa de por ciclo de cultivo se estimó en alrededor de 0,2 kg de nitrato de calcio y amonio y alrededor de 0,2 kg de fertilizante compuesto, que cuestan aproximadamente menos de 1 $. En la práctica, los precios de los fertilizantes y los medios de cultivo dependen en gran medida en la escala de compra y las fluctuaciones en el mercado local y global.El suministro de energía y agua debe ser considerado adicionalmente.

Independientemente de la implementación del sistema, es importante colocar correctamente el goteo de riego sobre la semilla de papa, ya que el crecimiento inicial depende de mantenerla húmeda. Además, a un nivel de riego dado, una sola ubicación de goteo favorece la alta humedad de todo el perfil del sustrato y transporta todo el líquido a través de la zona de los tubérculos. Entregar el mismo nivel de riego tanto en el tubérculo como en la zona de la raíz limita el crecimiento de la biomasa aérea y la cantidad de agua a la que los tubérculos están directamente expuestos, lo que aumenta su materia seca (Fig. 2b). Mientras que el rendimiento en fresco es relativamente reducido con respecto al riego por goteo (Fig. 2a), el rendimiento en seco se encuentra en niveles relativamente similares (Fig. 2c). El sistema hidropónico probado brindó un rendimiento ~300 % mayor que la referencia de campo, lo que puede atribuirse a una mayor oxigenación de las raíces y disponibilidad de nutrientes. Stoian et al.39 en su estudio sobre camote cultivado en un sistema hidropónico, también observaron que la textura del medio de cultivo, que mejora el nivel de oxigenación, puede afectar positivamente la formación de rendimiento. En comparación con la referencia de campo, el porcentaje relativamente mayor de tubérculos grandes y deformados observados en la producción hidropónica de fibra de madera (Fig. 6, Tabla complementaria 1) podría atribuirse a una compactación no óptima de la fibra en las bolsas y puede reducirse mediante ajustes. de la estrategia de fertirrigación, un mayor nivel de compactación o el uso de una textura diferente del medio de cultivo.

En conclusión, el sistema propuesto brinda una solución para la producción intensiva de papas de mesa de alta calidad que es capaz de lograr un rendimiento mucho mayor que la referencia de campo con un contenido de materia seca y un valor nutricional (composición mineral) del tubérculo comparables. El diseño permite una fácil implementación y escalabilidad de la producción, incluso en áreas con recursos limitados. Se han señalado varios desafíos de dicha producción, incluida la importancia de la colocación precisa de los tubérculos-semilla, ciclos de producción más largos debido al aumento de la producción de biomasa y el riesgo de deformación de los tubérculos debido al aumento de la humedad en la zona de los tubérculos. Se sugirieron dos regímenes de riego diferentes, uno que maximiza el rendimiento y el contenido de nutrientes, otro que maximiza el contenido de materia seca y minimiza los defectos de los tubérculos. Además, debido al carácter de la producción hidropónica, el sistema que utiliza fibra de madera tiene el potencial de ajustar con precisión el pH y la composición de macro y micronutrientes de los tubérculos y puede usarse para la biofortificación.

Se seleccionaron dos cultivares de papa para el experimento realizado en la Estación de Investigación NIBIO Apelsvoll ubicada en el SE de Noruega (60°42N, 10°51 E, 260 m snm). La primera, Celidonia, una papa de textura firme, fue seleccionada como representante de papas ovaladas/alargadas, sabrosas para cocinar, con alto número de tubérculos y buena resistencia a varias enfermedades, especialmente a la sarna común. El otro cultivar fue una selección tardía (G09-1057) del programa de mejoramiento de papa noruego realizado por Graminor (Graminor, Staur, Noruega), que fue elegido en este estudio debido a su potencial de materia seca relativamente bajo, forma y color inusuales (púrpura piel y carne).

En este estudio se diseñó e implementó un sistema hidropónico. El 3 de junio de 2021 se plantaron tres tubérculos-semilla en bolsas de plástico llenas de aprox. 50 L de fibras de madera, formando un espacio de crecimiento cilíndrico de 35 cm (aproximadamente 1,15 pies) de altura y 45 cm (aproximadamente 1,48 pies) de diámetro. Los tubérculos-semilla se colocaron en orificios relativamente profundos (5–10 cm) hechos en la parte superior de la bolsa para garantizar la disponibilidad de espacio uniforme para el nuevo tubérculo y para evitar que crecieran contra la pared de la bolsa (Fig. 1a). Cada tratamiento estuvo representado por tres repeticiones. Las bolsas se colocaron con una separación de 80 cm (2,62 pies) entre sí (Fig. 1b), asegurando espacio para la alta producción esperada de biomasa verde (Fig. 1c). Se probaron tres variantes comerciales de fibra de madera: fibra de Hunton (H) producida a partir de pícea de Noruega (Picea abies), utilizando el método de desfibrado (Fibergrow, Hunton, Noruega), así como fibra Pindstrup (P) (Forest Gold, Pindstrup, Dinamarca) y fibra Florentaise (F) (Florentaise Hortipain, Francia), ambas producidas a partir de pino silvestre (Pinus sylvestris) utilizando el método de vapor a alta presión. La solución nutritiva se preparó mezclando 1:1 fertilizantes de calidad hidropónica Kristalon Scarlet y Calcinit (Yara, Noruega). La solución se distribuyó mediante riego por goteo proporcionando 1,2 L h−1. La producción hidropónica se inició utilizando solución de fertirrigación con conductividad eléctrica de 1 deciSiemens por metro (dS m−1; EC1) tres veces al día (8:00; 12:00; 16:00) por intervalos de 7 min. Para cumplir con los cambios climáticos de temporada y el crecimiento de la biomasa de los cultivos, a partir del 16 de julio de 2021, la EC de la solución se elevó a 1,8 y se usó para fertirrigar las plantas con intervalos de 10 min, cuatro veces al día. A partir del 16 de agosto de 2021 se redujo la CE a 1,5 y se dividió el régimen de fertirrigación en dos tratamientos; primer tratamiento, con un solo goteo en la parte superior de la bolsa (T), e intervalos de riego de 12 min, y el segundo tratamiento, con dos goteros, colocados en la parte superior y en el medio de la bolsa (TR), y fertirrigación intervalos de 6 minutos de cada goteo. Como resultado, ambos tratamientos entregaron la misma cantidad de solución nutritiva, proporcionando ~10 g de N por planta por temporada. El experimento finalizó el 14 de septiembre de 2021, luego de una temporada de crecimiento de 104 días y recibiendo 910,5 grados día de crecimiento (GDD, a una temperatura base de 7 °C).

También se cultivaron papas en el campo como referencia. Los tubérculos de ambos cultivares se sembraron en el campo previamente preparado (12 cm de profundidad con una distancia de 30 cm entre hileras y 80 cm entre hileras), el 31 de mayo de 2021, que es un tiempo típico de siembra en el área de estudio. El campo estaba ubicado en el condado de Østre Toten, una de las principales regiones productoras de papa en Noruega. El campo se ubicó en un terreno bastante llano, sobre Cambisol Endostágnico bien drenado (IUSS Working Group WRB, 2006), con texturas franco-arenosas, desarrollado a partir de morrenas hasta depósitos, contenido de materia orgánica del suelo de 44 g kg−1, volumen a granel densidad de 1,3 Mg m−3, y pH medido en agua a 6,5. Los tubérculos fueron cosechados al azar del campo de referencia el 15 de septiembre de 2021, después de 108 días de producción, habiendo recibido 944,7 GDD. El campo se fertilizó con un total de 100 kg N ha−1 (=833 kg NPK 12-4-18+micro). El campo se fertilizó por partes, recibiendo el 70% de la dosis total al momento de la siembra y la dosis restante 30 días después de la siembra. El fertilizante mineral proporcionó ~2.5 g N por planta por temporada. La estrategia utilizada para el control del tizón tardío (Phytophtora infestans) y otras enfermedades causadas por hongos en campo incluyó el uso del modelo de Naerstads para decidir el número de aplicaciones40. Se usaron diferentes fungicidas (cymoxanil, propamokarp, cyazofamid, mandipropamid y difenoconazole) 8 veces durante toda la temporada de crecimiento, tanto como productos independientes como en mezclas, para evitar el desarrollo de resistencia. Sin embargo, en el experimento hidropónico, debido a la menor presión de la enfermedad, solo se realizaron tres aplicaciones de metalaxil, mandipropamida y ciazofamid. En los períodos de baja precipitación, 4 veces durante la temporada, el campo de papa fue regado usando un sistema de aspersión, recibiendo ~20 mm por evento de riego.

Tanto el experimento hidropónico como el de campo se cosecharon al mismo tiempo para garantizar una comparación directa entre los dos sistemas de producción. De acuerdo con la práctica local, la biomasa de los brotes de las plantas en la pista de campo se eliminó químicamente, por lo tanto, el número de brotes por planta, la longitud de los brotes y la biomasa fresca de los brotes se registraron solo para la prueba hidropónica donde se mantuvo la biomasa. Se registró la calidad de los tubérculos (en términos de crecimiento excesivo de lenticelas), biomasa verde y sustrato (en términos de humedad, calidad de la zona de raíces y profundidad de la zona de tubérculos). Inesperadamente, dado que el rendimiento en la prueba de sustrato fue extraordinariamente alto, no fue posible separar el rendimiento de una sola planta. Por lo tanto, se midió el rendimiento del tubérculo de patata por tres plantas. Los tubérculos se separaron en fracciones de cuatro tamaños, 25–40 mm, 40–50 mm, 50–60 mm y >60 mm, y los tubérculos de cada fracción se contaron y pesaron. A continuación, se recalcularon los resultados por planta individual. El contenido de materia seca se determinó por peso sobre y bajo agua para determinar el peso específico de los tubérculos. Para calcular el contenido de materia seca se utilizó la siguiente ecuación: materia seca = 215.73 * (x − 0.9825), donde x es el peso específico calculado como peso en aire * (peso en aire − peso en agua)−1. Después de tres meses de almacenamiento a 4 °C y una humedad relativa de 90–95 %, personal capacitado de NIBIO realizó el análisis clásico de la calidad de los tubérculos e incluyó la determinación visual de diferentes enfermedades de la papa según lo descrito por24, así como el registro del peso de los tubérculos. tubérculos en cada muestra con enfermedades seleccionadas, es decir: pudrición blanda, pudrición seca, mancha café; y defectos, es decir: tubérculos verdes, grietas, deformaciones, decoloración.

El análisis elemental de los tubérculos de papa fue realizado por el laboratorio comercial (Eurofins, Wageningen, Países Bajos). NH4, NO3, Cl se analizó utilizando el método interno, y los contenidos de macronutrientes P, K, Ca, Mg y S, así como los micronutrientes B, Cu, Fe, Mn y Zn en los tubérculos se analizaron por acoplamiento inductivo. espectroscopía de emisión óptica de plasma (ICP-OES) utilizando protocolos internos del laboratorio.

El análisis de datos siguió el paradigma de presentación de datos sugerido por Weissgerber et al.41 y Amrhein et al.42. Debido al conjunto de datos relativamente pequeño, todos los puntos de datos se presentan en las figuras. Antes del análisis, la normalidad de la distribución de datos se verificó mediante la prueba de Anderson-Darling. Para los datos normalmente distribuidos, se realizó un análisis de varianza (ANOVA) unidireccional para determinar la importancia de las diferencias entre los grupos y se aplicó la prueba post hoc de Fisher para comparar los tratamientos. Para distribuciones de datos no normales, se utilizó una prueba no paramétrica de Kruskal-Wallis. El análisis multivariante de todas las variables en el estudio se realizó utilizando el análisis discriminante de mínimos cuadrados parciales (PLS-DA) para investigar patrones en los datos discriminando grupos dentro de los datos e identificar las variables clave que impulsan dicha discriminación, que se realizó utilizando los métodos PLS llamados puntajes VIP. Los análisis se realizaron con el software estadístico MiniTab (versión 17.2.1, MiniTab, MiniTab Inc., PA, EE. UU.) y R Statistical Software (versión 4.1.3, R Foundation for Statistical Computing, Viena, Austria) con RStudio (versión 2022.02. 2 Build 485, RStudio, RStudio Inc. Boston, EE. UU.).

Más información sobre el diseño de la investigación está disponible en el Resumen de informes de Nature Portfolio vinculado a este artículo.

Los datos sin procesar que respaldan los hallazgos informados en este estudio están disponibles previa solicitud al autor correspondiente.

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Esta investigación se llevó a cabo en el proyecto SUBTECH financiado por el Fondo de Investigación del Acuerdo Agrícola de Noruega/Fundación para el Impuesto de Investigación sobre Productos Agrícolas, número de subvención 302129 y Grofondet, número de subvención 190024. Financiación de acceso abierto proporcionada por el Instituto Noruego de Investigación de Bioeconomía. Los autores agradecen a Else Karin Linnerud, Robert Nybraaten, Kristian Saether y Mirjana Sadojevic, personal técnico de la Estación de Investigación NIBIO Apelsvoll, por su asistencia en la investigación.

Departamento de Tecnología Agrícola, Centro de Agricultura de Precisión, Instituto Noruego de Investigación de Bioeconomía, Kapp, Noruega

Krzysztof Kusnierek

Departamento de Horticultura, Instituto Noruego de Investigación de Bioeconomía, Kapp, Noruega

Pia Heltoft, Per Jarle Møllerhagen y Tomasz Woznicki

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KK y TW conceptualizaron el estudio, obtuvieron fondos, realizaron análisis estadísticos y escribieron el borrador del manuscrito. KK preparó visualizaciones. KK, PH, PJM y TW proporcionaron materiales, metodología y contribuyeron a la recopilación de datos. KK, PH, PJM y TW interpretaron los resultados y revisaron el manuscrito. Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

La correspondencia es Krzysztof Kusnierek o Tomasz Woznicki.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Kusnierek, K., Heltoft, P., Møllerhagen, PJ et al. Producción hidropónica de papa en fibra de madera para la seguridad alimentaria. npj Sci Food 7, 24 (2023). https://doi.org/10.1038/s41538-023-00200-7

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Recibido: 30 de septiembre de 2022

Aceptado: 23 de mayo de 2023

Publicado: 03 junio 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41538-023-00200-7

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