Selección y diseño de equipos de inyección de fertilizante
Fertilización es la aplicación de los nutrientes que la planta necesita para su actividad diaria, para su desarrollo vegetativo y reproductivo.
Hoy en día se usa más el término fertirriego, refiriéndose a la aplicación de fertilizante junto con el riego, usando el agua y el sistema de riego como el vehículo para disolver y transportar el fertilizante desde el cabezal hacia el cultivo.
La agricultura moderna está enfrentando grandes desafíos.Por un lado, la disponibilidad de los recursos principales como tierra, agua y mano de obra va disminuyendo, lo que aumenta su costo, y por otro lado los mercados cada día son mas competitivos y exigentes.
Frente a esta situación tenemos que preguntarnos si la forma en la cual estamos cultivando, en todos sus aspectos, es la óptima o tal vez haya una mejor, que permita ser más eficientes, logrando mayores rendimientos por m2 de superficie, por m3 de agua, por kg de fertilizante, etc.
El avance tecnológico en los últimos años nos ha abierto la puerta hacia mejores prácticas también en la fertilización y nos ofrece equipos nuevos para aplicación de fertilizante. ¿Cuales factores tenemos que conocer para elegir el equipo óptimo?
Para contestar a esta pregunta primero tenemos que saber cuál es el método de fertilización requerido ¿cuantitativa o proporcional? luego, tenemos que saber si se requiere aplicación de un solo canal o de multicanal y si se requiere que la aplicación sea automática o manual.
En este artículo conoceremos los dos métodos de aplicación: cuantitativa y proporcional; cómo se calculan y cómo se aplican.Revisaremos los factores que afectan la decisión de que sea un solo canal o multicanal. Y por último las ventajas de la aplicación automática de los fertilizantes y en qué sistemas de cultivo es indispensable.
Fertilización cuantitativa
La fertilización cuantitativa es la tradicional. Se aplicaba el fertilizante en esta forma por no tener la tecnología adecuada para hacerlo diferente o mejor. La fertilización cuantitativa tiene como objetivo aplicar una determinada cantidad de nutrientes por hectárea en un determinado periodo.
Normalmente son kg del nutriente (N, P, K, Etc.) por hectárea, en un determinado periodo de tiempo que puede ser día, semana o etapa fenológica. Como ejemplo, en la tabla 1 muestro un plan de fertilización cuantitativa para pimiento cultivado en invernadero y en suelo:
Para definir la demanda de nutrientes de un cultivo y poder elaborar un plan de fertilización cuantitativa es necesario primero elaborar una curva de absorción o de extracción de nutrientes en cada etapa. Esta curva, no se elabora normalmente por el agricultor, sino por proveedores de fertilizantes, investigadores, etc. En la literatura se pueden encontrar las curvas de extracción de los distintos cultivos.
La elaboración de tal curva tiene varios pasos y se hace a lo largo de todo el ciclo del cultivo, en periodos que pueden ser de 10 o de 15 días. Al final de cada periodo se eligen 2-3 plantas con un desarrollo óptimo. Las plantas se seccionan en 3 partes: raíz, parte aérea (tallo, hoja y flor) y fruto y se coloca a secar en una estufa a 70°C por 72 h para determinar el peso seco. Una vez que se conoce el peso seco de una planta, se calcula el peso seco (PS) acumulado (kg/ha) multiplicando el PS de una planta por la densidad de plantas/ha.
La materia seca se manda a un laboratorio donde se analiza la concentración porcentual de cada nutriente (NUT %).
Teniendo el PS acumulado por hectárea y la concentración porcentual de cada nutriente en la materia seca, se multiplica uno por el otro y el resultado obtenido son los kg del nutriente extraído por el cultivo en una hectárea. Para calcular el consumo por etapa/periodo solo se resta el resultado del periodo anterior del resultado de la etapa actual.
Un ejemplo de curva para tomate en campo abierto
Fuente: SQM
Absorción total de N, P2 O5 y K2 0 en las partes aéreas con un rendimiento de 90 ton/ha de tomate al aire libre.
¿Cómo se calcula la fertilización cuantitativa?
Cuando sabemos cuántas “unidades” o kg/hectárea de un nutriente se quiere aplicar y con qué fertilizante, para saber cuántos kg del fertilizante hay que aplicar a un sector de riego, simplemente se multiplican las unidades por el hectareaje del sector y se divide entre el porcentaje del nutriente en el fertilizante.
Por ejemplo, para aplicar 5 unidades de Nitrógeno a un sector de riego de 2 hectáreas, usando Nitrato de potasio con 12 % N: 5 unidades x 2 hectáreas /0.12 = 83.3 kg de Nitrato de potasio.
Cuando el fertilizante es líquido, se tienen que convertir los kg a litros, dividiéndolos por el peso específico (el peso en kg de 1 litro).
Cuando el fertilizante es sólido, hay que disolverlo en agua para poder inyectarlo. Cada fertilizante tiene un límite de solubilidad dependiendo de la temperatura, declarado por el fabricante. Conviene buscar la tabla de solubilidad de los fertilizantes en uso y disolver el fertilizante en el volumen de agua necesario de acuerdo con la temperatura del agua.
El volumen de agua mínimo para disolver el fertilizante sería el resultado de los kg de fertilizante divididos el porcentaje de solubilidad de este:
Por ejemplo 83.3 kg de Nitrato de potasio/20% de solubilidad = 416.5 litros de agua. 416.5 litros es el volumen mínimo. Conviene aumentar el volumen de agua en un 10 %, para no estar justo en el límite de solubilidad.
El tiempo mínimo requerido para inyectar estos litros de solución de fertilizante depende de la capacidad de inyección del inyector de fertilizante.
Cuando el inyector no tiene ningún rotámetro que muestra el flujo de fertilizante en litros por hora y permite su ajuste, conviene realizar una prueba previa en condiciones reales, inyectando de esta misma solución contra la presión de agua en el cabezal durante 5 min. Hay que medir el volumen de la solución en el tinaco antes y después de la inyección para saber cuántos litros se inyectaron.
Al final se multiplica el volumen inyectado por 12 para conocer la capacidad de inyección en litros por hora.
Ahora que conocemos la capacidad de inyección del inyector (ejemplo 1000 l/h) dividimos el volumen a inyectar (ej. 416 litros) entre la capacidad de inyección y multiplicamos por 60 min.
416 / 1000 x 60 = 25 min
La aplicación cuantitativa consiste en 3 fases
La primera fase es el llenado y la presurización del sistema.
Cuando se inicia un riego en un sistema no antidrenante (que los goteros siguen goteando después de que se acabe un riego) el riego inicia con alto caudal y baja presión. No es recomendable aplicar el fertilizante en esta fase porque algunos goteros inician a gotear antes que otros y el fertilizante no se va a distribuir uniformemente.
La segunda fase es la inyección del fertilizante.
Cuando la presión y el caudal en el cabezal de riego están estables, podemos iniciar la inyección del fertilizante.
Para lograr la mayor eficiencia en la aplicación cuantitativa, conviene alargar el tiempo de la inyección lo más que se pueda.
No hay que olvidar que hay que dejar tiempo para la tercera y última fase que es el transporte del último fertilizante inyectado en el cabezal al sector deseado. El transporte se lleva a cabo aplicando solamente agua durante el tiempo necesario, que asegure que el fertilizante se vacíe en el sector deseado y no se quede en la tubería o vaya a otro sector al inicio del siguiente riego. Esta fase tiene mayor importancia todavía cuando varios sectores de riego comparten el mismo tubo principal.
El tiempo de esta fase se llama en el lenguaje hidráulico “Tiempo de avance”.
Este tiempo se calcula en el departamento de diseño de Netafim y también se puede medir físicamente en con cambios de conductividad eléctrica, pH o color en cada sector de riego. Por ejemplo, se aplica ácido a un pH de 5 y se mide el tiempo desde el inicio de inyección hasta su detección en el gotero más alejado en la válvula. Este es el ”tiempo de avance “.
Una vez medido, será un dato fijo del sistema hidráulico y servirá para aplicaciones especiales de productos y para mantenimiento químico del sistema.
En la agricultura tradicional la fertilización cuantitativa se aplicaba con un solo inyector, normalmente un fertilizante a la vez.
La forma más sencilla fue el tanque de presión diferencial en el cual el fertilizante sólido se colocaba dentro del tanque, agua a presión alta entraba al tanque para disolver el fertilizante a inyectarlo adelante a una presión menor.
Otras formas para inyectar el fertilizante son los venturis y las bombas que pueden ser hidráulicas, eléctricas o de combustión.
La eficiencia de esta forma de aplicación depende mucho de la capacidad de retención de nutrientes que tiene el suelo. Esta capacidad es llamada “capacidad de intercambio iónico”.
Las partículas sólidas del suelo, principalmente la arcilla y la materia orgánica tienen cargas negativas en su superficie. Estas cargas adhieren iones con cargas positivas (cationes) como Ca ++, Mg ++, k +, Na ++ y NH4 + entre otros.
Por adherir cationes, esta capacidad de retención que tiene el suelo se llama “capacidad de intercambio catiónico” (CIC).
La CIC de los suelos depende, entonces, del porcentaje y tipo de arcilla que contienen y del porcentaje de materia orgánica (MO). Un suelo arenoso puede tener una CIC de 1-5 meq/100 gr de suelo y un suelo muy arcilloso, una CIC mayor a 30 meq/100 gr.
En suelos ácidos de regiones tropicales, óxidos e hidróxidos de fierro y de aluminio pueden formarse y por tener carga positiva desarrollan en el suelo una capacidad de intercambio aniónica. Esta capacidad es poco común y siendo la catiónica la más común.
En todos los tipos de suelo, los aniones como el Nitrato (NO3-, PO4-, SO4-, Cl) no se adhieren a las partículas de suelo y tienden a lavarse hacia las capas profundas del suelo. Por lo tanto, un anión aplicado al principio del fertirriego se lava fácilmente con la aplicación del siguiente fertilizante o de un volumen adicional de agua.
Comportamiento de la CIC en diferentes texturas del suelo.
Los suelos arenosos no solo tienen baja CIC sino también poros grandes que permiten un flujo vertical rápido de agua hacia abajo, fuera de la zona radicular. Por lo tanto, la aplicación cuantitativa de un fertilizante a la vez es muy ineficiente en suelos arenosos y ligeros.
Para aumentar la eficiencia de la fertilización cuantitativa es recomendable usar inyectores de multicanal. Este tipo de inyector tiene normalmente de 3 a 5 venturis inyectando al mismo tiempo varios fertilizantes de varios tanques.
El equipo de multicanal prepara una solución nutritiva con todos los nutrientes que la planta necesita y evita el lavado de un nutriente cuando se aplica el siguiente.
Tiene también ventajas operativas. Primero, el operador prepara los tanques concentrados de fertilizante antes de iniciar el fertirriego, así que durante el riego él está libre para realizar otras actividades como revisión de caudales, presiones, etc. y no tiene que estar preocupado y ocupado por la preparación del siguiente fertilizante.
Segundo, los venturis tienen un rotámetro transparente y un flotador. Durante la fertilización se puede ver cuál es el flujo de fertilizante hacia el Venturi y por medio de la válvula de ajuste, hacer que inyecte más rápido o más despacio. Por ejemplo, si se requiere aplicar por el venturi 100 litros en 30 minutos, se ajusta el flujo del venturi en tal forma que el flotador suba a 200 litros/hora. Esto es inyectar en forma manual, pero con mayor precisión y eficiencia.
Cuando se coloca más de un fertilizante en el tanque, hay que cuidar y asegurar que no se coloque en el mismo tanque de fertilizante concentrado una fuente de calcio con fuentes de sulfato o de fosfato. El calcio reacciona con estos elementos y forma un sólido (pasta) insoluble. Esta situación pone en peligro el funcionamiento del sistema hidráulico por tapar filtros, goteros y sedimentarse en las paredes de la tubería. Además, el fertilizante caro que queremos que llegue al cultivo, no llegará.
Recuerda, el problema es solamente en el tanque de fertilizante que es un tanque muy concentrado y con bajo movimiento. No hay problema inyectar al mismo tiempo a la tubería pocos gramos de calcio, de sulfatos y de fosfatos.
La aplicación cuantitativa puede ser también automática. Para esto, el equipo de inyección tiene que tener un controlador y el cabezal, un medidor de agua conectado al controlador.
En el programa de fertilizante se define que la inyección es cuantitativa (CANT) y se definen cuántos litros se requieren inyectar de cada tanque durante el riego.
El controlador reparte el volumen de fertilizante a lo largo de todo el tiempo destinado al fertirriego. El controlador ejecuta automáticamente las 3 fases. Inicia presurizando solamente agua, sigue con el fertirriego y termina con el lavado solo con agua.
Es posible tener un equipo automático también en campos donde las válvulas son manuales. En este caso la apertura y el cierre de las válvulas se hace manualmente, pero la aplicación del fertilizante se hace en forma automática. Lo ideal es tener el campo totalmente automatizado y así el mismo controlador que dosifica el fertilizante abre y cierra las válvulas, agita los tanques, protege el sistema y el cultivo con alarmas de caudal alto y bajo, pH, CE etc.
El controlador también guarda registro e historial de toda la actividad de riego, lo que permite un mejor control de la operación y una mejor planeación.
En el controlador del equipo automático de inyección se programa cuántos litros por riego inyectar de cada tanque. Para conocer este dato hay que realizar unos cálculos previos, mostrados en la siguiente tabla.
Fertilización proporcional
La fertilización proporcional busca preparar una solución nutritiva con todos los nutrientes, macro y micro, en la concentración adecuada o, en otras palabras, en la proporción adecuada con el volumen del agua.
Si en la fertilización cuantitativa se tiene que tomar en cuenta la superficie de cada sector de riego y aplicar los kg de cada fertilizante de acuerdo con la superficie (como se mostró en la tabla arriba), en la fertilización proporcional ya no hay necesidad de hacerlo.
Una hora de riego aplica el mismo volumen de agua por m2 en un sector pequeño y en un sector más grande y por el hecho que la concentración de los nutrientes en el agua es la misma, cada m2 recibe también la misma cantidad de nutrientes.
La concentración de los nutrientes en el agua se expresa de varias formas:
mmol/l: Se usa para expresar la cantidad de átomos del ion específico en un litro de agua.
meq/l: Se usa para expresar la carga total del ion en un litro de agua. La carga total de los cationes o aniones dividida en 10 da la conductividad eléctrica (CE) de la solución en dS/m, mS/cm, mmhos/cm.
ppm, gr/m3, mg/l: Se usa para expresar el peso total del ion en un litro o un m3 de agua.
Para pasar de una unidad a otra se puede apoyar en la siguiente tabla.
La siguiente tabla incluye información de peso atómico y valencia de los iones más comunes en el fertirriego.
Para elaborar una solución nutritiva proporcional hay que tener a la mano un análisis de agua reciente y confiable. La calidad de agua puede variarse con el uso intensivo del pozo y también antes o después de la época de lluvia. Para asegurar que el análisis es confiable se puede comparar la suma en meq/l de los aniones y de los cationes y ver que se parecen con una variación del 5 %. También ver si dividiendo estas sumas entre 10 da la conductividad eléctrica (CE).
Para calcular las ppm y saber cómo preparar los tanques, se puede usar la siguiente ecuación:
Ejemplo:
cuantos kg de sulfato de magnesio (9.7% Mg) hay que poner en un tanque de 1000 litros con una inyección de 5 l/m3 (200 veces concentrado) para lograr 40 ppm de Mg.
40 = [ 9.7 x 5 x kg x 10]/1000
40 x 1000 / 9.7/5/10 = kg = 82.47 kg de sulfato de magnesio.
Recuerda, si usas el porcentaje del elemento puro, el resultado será del elemento puro, pero si usas el porcentaje del óxido, el resultado será las ppm del óxido. Para convertir de elementos puros a óxidos y al revés, se puede apoyar en la siguiente tabla.
Si en la fertilización cuantitativa la inyección se programa en litros por riego, en la fertilización proporcional la inyección de cada tanque de fertilizante se programa en litros por m3, pidiendo una conductividad eléctrica y un pH deseados.
Cada equipo tiene una tasa máxima de inyección, que depende de la capacidad de los venturis y del caudal de riego.
La tasa máxima de inyección es la capacidad del venturi en litros/hora dividida entre el caudal de riego en m3 /hora. Lo ideal es no usar la tasa máxima, sino solamente el 80% de esta. El 20% queda como tiempo libre, que el controlador pueda usar para aumentar la inyección programada y lograr la CE deseada.
Para el cálculo de la tasa máxima de inyección se puede apoyar en la siguiente ecuación:
La conductividad eléctrica de la solución nutritiva refleja el nivel total de los iones disueltos en el agua. Si calculamos y sabemos que la solución nutritiva tiene una cierta CE, el mantener la CE deseada en el equipo de inyección y en los goteros, nos indica que estamos aplicando la solución deseada. Una CE estable dentro del rango óptimo asegura también buena disponibilidad de agua para el cultivo.
Mantener el pH óptimo en la solución nutritiva y en la zona radicular asegura alta disponibilidad de los nutrientes y evita taponamientos de goteros por el sedimento sólido del carbonato conocido como sarro.
Para corroborar que la CE real de la preparación de los tanques y de la inyección programada, coincida con la CE calculada y para encontrar la inyección requerida del ácido, se realiza en campo una “prueba de cubeta”, comúnmente llamada titulación.
El proceso de la titulación es el siguiente:
1.Prepara los tanques de fertilizantes en la forma más precisa posible:
- Pesa bien los fertilizantes.
- Completa el volumen de agua en el tanque para llegar precisamente al volumen deseado (que se usó en el cálculo).
- Agita bien los tanques.
2.Calibra bien los sensores de CE y pH del equipo de inyección.
3.Prepara de manera precisa un litro de agua fresca de la misma fuente que se usa para regar y mide su CE con el sensor del equipo de inyección. Verifica que coincida con la “CE agua” que usaste para el cálculo de la solución nutritiva.
4.Una Inyección de 1 litro/m3 = 1 ml/litro. Por cada litro de inyección en el programa de fertilizante, agrega 1 ml del tanque al litro de agua. Lo más preciso es usar una jeringa y una probeta graduada para este propósito.
Por ejemplo, si la inyección es de 5 l/m3 de los 4 tanques de fertilizante, agrega 5 ml de cada tanque al litro de agua y agita bien. Mida el pH y la CE con el sensor del equipo.
5.Con una jeringa saca unos ml del tanque de ácido.
6.Al mismo litro agrega ml tras ml de ácido hasta llegar al pH deseado. Cuenta los ml necesarios para lograr este pH.
7.Mide la CE en el litro con el sensor del equipo. Esta CE tiene que coincidir con la CE calculada y será la CE deseada en el programa de fertilizante.
8.Introduce en el programa de fertilizante:
- Los litros de inyección de ácido. (por cada ml que agregaste del tanque de ácido tienes que programar 1 litro de inyección).
- El pH deseado (el que se buscó en la titulación).
- La CE deseada (la que se encontró en la titulación).
En muchos casos, especialmente en suelos arcillosos que tienen alta retención de nutrientes, si se fertiliza en forma proporcional, es importante calcular también las unidades aplicadas (kg/ha/día) del nutriente. Esto con la finalidad de evitar fertilización excesiva.
¿Cómo se convierten las ppm de la fertilización proporcional a los kg/ha/día de la fertilización cuantitativa? Simplemente se multiplican las ppm por los m3 de agua que se aplican a una hectárea por día. Por ejemplo, si se aplica a un cultivo en suelo 120 ppm (gr/m3) de nitrógeno y 40 m3 /ha/día de agua: 120 x 40 = 4,800 gr N /ha/día o 4.8 kg.
¿Cuándo se recomienda usar cada tipo de fertilización?
Cultivo en sustrato: Siempre fertilización proporcional
Hortalizas en suelo y franco: Preferible proporcional cuantitativa de multicanal
Hortalizas en suelo arcilloso: Cuantitativa de multicanal proporcional, pero calcular las unidades
Frutales en suelo arenoso y franco: Proporcional cuantitativa de multicanal
Frutales en suelo arcilloso: Cuantitativa de multicanal
Maíz, caña, alfalfa y algodón: Cuantitativa de multicanal
Resumen
La fertilización cuantitativa se usaba tradicionalmente en todos los cultivos y en todos los tipos de suelo. El fertilizante se inyectaba por medio de inyectores muy simples, normalmente un fertilizante a la vez.
El cultivo en sustratos de bajo volumen exigía el cambio a fertilización proporcional y de multicanal. Esta forma de fertilizar asegura un control preciso y continuo sobre el contenido de los nutrientes en la solución nutritiva y sobre la CE y el pH de esta.
Para lograr esto, se necesita un equipo de inyección automático con sensores de CE y pH y un controlador que coordine todos los aspectos del fertirriego.
Viendo las ventajas de la fertilización proporcional de multicanal se está cambiando también la forma de aplicar la fertilización cuantitativa.
Actualmente hay muchos agricultores que usan equipos manuales de multicanal para cultivos extensivos en campo abierto como maíz, caña de azúcar y frutales. En frutales algunos de los equipos son automáticos, lo que facilita todavía más la operación y asegura mayor precisión y eficiencia en el fertirriego.