Introducción al curso de Fisiología de Cultivos. Ing. Agr. PhD. Santiago Dogliotti

Transcripción

1 Introducción al curso de Fisiología de Cultivos Ing. Agr. PhD. Santiago Dogliotti

2 Introducción al curso de Fisiología de Cultivos Ubicación del curso en la carrera Factores que determinan el rendimiento Radiación Temperatura Disponibilidad de agua Disponibilidad de nutrientes Modelo de formación del rendimiento Análisis clásico del crecimiento y desarrollo

3 Nivel de estudio Productor y su familia Establecimiento agrícola Sistema de producción de cultivos Sistema de producción animal Sistema de producción de cultivos (rotación) Malezas Patógenos Cultivos Suelos Insectos Cultivo (comunidad de plantas) Asimilación o Fotosíntesis Absorción Transporte Transpiración Control exógeno y endógeno del Desarrollo Transporte de asimilados Partición

4 Productor y su familia Nivel de estudio Taller IV Establecimiento agrícola Sistema de producción de cultivos Sistema de producción animal Forrajeras, Cereales, Horticultura, Fruticultura Sistema de producción de cultivos (rotación) Malezas Patógenos Cultivos Suelos Insectos Fisiología de cultivos Cultivo (comunidad de plantas) Asimilación o Fotosíntesis Absorción Transporte Transpiración Control exógeno y endógeno del Desarrollo Fisiología Vegetal Transporte de asimilados Partición

5 El desafío para los próximos 40 años en la producción de alimentos La población mundial crecerá de 6.8 a 9 billones de habitantes La demanda por productos de origen animal aumentará proporcionalmente al crecimiento económico La demanda de energía de fuentes renovables aumentará llegando a representar 8 veces la producción actual de alimentos si fuera a abastecerse toda con granos.

6 Población Area cultivada R arroz R. trigo

7 El desafío para los próximos 40 años en la producción de alimentos Escenario Actual 2050 = alimentación humana y animal 2050 = alimentación + 10% energía 2050 = anterior + todos los ciudadanos con dieta europea Demanda de biomasa vegetal (Giga toneladas de equivalente grano) 7 12 >17 >23 Producción potencial 32 GT EG (de Koning & Van Itersum, 2009)

8 El desafío para los próximos 40 años en la producción de alimentos

9 Factores que definen el rendimiento de los cultivos POTENCIAL ALCANZABLE ACTUAL Factores determinantes Factores limitantes Factores reductores - CO 2 - radiación - temperatura - fisiología - fenología - arquitectura del canopeo - agua - nutrientes - suelo - malezas - enfermedades - plagas Nivel productivo ton ha -1

10 Principios básicos de la producción de cultivos Efecto teórico de la radiación, temperatura, agua y nitrógeno en la tasa de crecimiento de un cultivo de boniato.

11 Factores determinantes del rendimiento de los cultivos: 1. Radiación 90 Tasa de asimilación bruta (kg CO2 ha -1 h -1 ) g CO 2 MJ -1 hoja cultivo PAR absorbido (J m -2 s -1 ) Fuente: Lovenstein et al., 1993

12 Intercepción de la luz por un cultivo Profundidad en la canopia (cm) IAF IAF Intensidad relativa de la luz en la canopia Intensidad relativa de la luz en la canopia Distribución del área foliar en profundidad e intensidad luminosa relativa dentro de un cultivo de remolacha azucarera.

13 Intercepción de la luz por un cultivo Fracción del PAR incidente interceptado por la canopía Indice de Area Foliar k = 0.3 k = 0.6 k = 1 Efecto del IAF y de la arquitectura del canopeo en la fracción del PAR incidente interceptado por el cultivo.

14 Estimación de la tasa de crecimiento de un cultivo C3 (2.5 g MS MJ -1 ) que cubre totalmente el suelo y en condiciones óptimas de crecimiento (datos de radiación incidente en el Sur de Uruguay, año 1997) 1200 TAB (kg CO2 ha -1 d -1 ) TC (kg MS ha -1 d -1 ) dic 21-mar 29-jun 7-oct 15-ene Fecha Acumulado anual : 67 Mg MS ha -1

15 Es realista esta estimación de la cantidad de materia seca producida por ha y por año?, Por qué?

16 Todos los cultivos, tanto anuales como perennes, tienen ciclos de vida afectados en su expresión por factores del ambiente, principalmente la temperatura y el fotoperíodo. A lo largo de ese ciclo de vida la cantidad de área foliar activa varía enormemente así como la eficiencia de uso de la luz. El largo del ciclo de producción es uno de los factores fundamentales que determina el rendimiento de los cultivos. Rendimiento = Tasa de crecimiento * Largo del ciclo * Indice de cosecha (Kg ha -1 ) (Kg ha -1 día -1 ) (días) Kg Kg -1

17 Area Foliar por planta (cm2) Pantanoso Fecha 1 Fecha 2 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 Indice de Area Foliar 200 Fecha 3 0,5 0 0,0 2-Ago 1-Sep 1-Oct 31-Oct 30-Nov 30-Dic 29-Ene Efecto de la fecha de trasplante en el crecimiento del área foliar de cebolla cultivar Pantanoso del Sauce CRS. Fuente = Arias y Peluffo, 2001 (Tesis Facultad de Agronomía)

18 Esta estimación no considera las variaciones de temperatura que se dan a lo largo del año y que afectan fuertemente a la tasa de asimilación bruta y a los requerimientos de mantenimiento de las estructuras vegetales. A medida que los cultivos crecen y aumenta la biomasa acumulada, también aumentan los requerimientos de energía para mantenimiento de las estructuras vegetales (respiración de mantenimiento), por lo tanto la eficiencia de uso de la luz para el crecimiento también disminuye a lo largo del ciclo por esta razón.

19 Factores determinantes del rendimiento de los cultivos: 2. Temperatura 1. Efecto de la temperatura en la Tasa de Asimilación Neta 2. Efecto de la temperatura en el desarrollo de los cultivos

20 Influencia de la temperatura sobre la asimilación y la respiración (línea inferior) de hojas de papa expuestas a diferentes intensidades de luz. (Burton, 1990)

21 Influencia de la temperatura en la tasa de desarrollo 0,6 Tasa de aparición de hojas (hojas. d-1) 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Te m pe ra tura ªC Tasa de aparición de hojas en tomate en función de la temperatura media diaria (De Koning, 1995)

22 Influencia de la temperatura en la tasa de desarrollo 0,30 Tasa de germinación (d -1 ) 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0, Temperatura ºC Tiempo térmico (ºC día) = Tiempo (d) * (T media T base)

23 Factores determinantes del rendimiento de los cultivos: 3. Disponibilidad de agua Transpiración (mm d -1 ) Contenido de agua en el suelo (fracc. vol.) Efecto de la humedad del suelo en la transpiración de maíz a tasas de evaporación alta ( ), media (t) y baja (ο). Fuente: Denmead y Shaw, 1962.

24 Conductividad estomática afectada por el potencial hídrico de las hojas (10 bar = 1 Mpa) Relación entre la conductividad estomática, como porcentaje de la máxima, y potencial hídrico de la hoja para varios cultivos. (Fuente: Turner, 1974).

25 Factores determinantes del rendimiento de los cultivos: 3. Disponibilidad de agua TAB limitada por agua TAB potencial = Transpiración limitada por agua Transpiración potencial

26 Factores determinantes del rendimiento de los cultivos: 3. Disponibilidad de nutrientes Tasa de crecimiento 5% reducción Deficiencia media Concentración crítica Consumo de lujo Concentración máxima Rango tóxico Deficiencia severa Concentración mínima Concentración de nutrientes en los tejidos de la planta Fuente: Smith, 1962

27 Efecto del N en el crecimiento del área foliar Relación entre concentración de N en las hojas y tasa relativa de expansión del área foliar (Fuente: Greenwood, 1966)

28 Influencia de la disponibilidad de N en la TAN TAN (kg CO 2 ha -1 h -1 ) = 725*N(kg kg -1 ) 2.75

29 Nitrógeno Agua CO 2 Radiación Temperatura IAF Tasa de asimilación bruta Asimilación Bruta Respiración de Mantenimiento RM (20 ºC) = g CH 2 O g MS -1 (se duplica cada 10 ºC) Biomasa total Asimilación Neta

30 Asimilación Neta Desarrollo Crecimiento FC FC FC FC FC Partición Estado de desarrollo Hojas Tallos Raíces Frutos Semillas

31 Nitrógeno Agua CO 2 Radiación Temperatura IAF TAB AFE Asimilación Bruta Respiración Manten. Desarrollo Crecimiento FC FC FC FC FC Partición Estado de desarrollo Hojas Tallos Raíces Frutos Semillas

32 Costos de conversión de azúcares simples a moléculas más complejas Compuesto Biosíntesis Transporte Factor de Conv. (g gluc g -1 prod) (g gluc g -1 prod) (g prod g -1 gluc) Grasas Lignina Proteínas Carbohidratos Acidos Org

33 Costos de conversión de azúcares simples a distintos órganos vegetales Organo Carboh. Prot. Grasas Lignina Ac. Org. Minerales FC Poroto Maíz Papa Trigo Soja

34 Diferencias en el rendimiento entre cultivos Cultivo Rendimiento (kg / ha) Contenido MS (%) Rendimiento en MS (kg/ha) Indice de cosecha Producción total MS (kg/ha) Trigo Papa Tomate Arroz

37 Algunos conceptos básicos

38 Análisis clásico del crecimiento de cultivos Se basa en la toma de muestras del cultivo a intervalos regulares en el tiempo a lo largo de todo su ciclo. Tasa de crecimiento = dw / dt = W 2 - W 1 / t 2 - t 1 Materia Seca Total (kg m -2 ) W 1 W 2 t 1 t 2 T iempo (días)

39 Análisis clásico del crecimiento de cultivos TCR (kg d -1 kg -1 ) = (dw / dt ) * 1/W T iempo (días) Tiempo (días) Tiempo (días) Tasa de crecimiento (kg m -2 d -1 ) Materia Seca Total (kg m -2 ) Tasa crecimiento relativo (kg d -1 kg -1 )

40 Análisis clásico del crecimiento de cultivos Indice de área foliar (IAF) = Area foliar por planta (cm 2 ) Superficie ocupada por una planta (cm 2 ) Indice de Area Foliar (IAF) Indice de Area Foliar (IAF) DAF T iempo (días) T ie m p o (d ías ) Duración del área foliar (DAF) = Integral del IAF en función del tiempo

41 Análisis clásico del crecimiento de cultivos Partición de Materia seca a hojas, tallos, frutos, raíces, tubérculos, semillas, etc.: Partición MS a los frutos (kg kg -1 ) = Peso seco frutos / Peso seco total 450 Peso seco acumulado (g planta -1 ) Total Frutos Hojas Tallos Día del año Producción acumulada de materia seca de hojas, tallos, frutos y total en función del día del año para un cultivo de morrón trasplantado el 12 de enero en invernáculo en Holanda. Fuente: Dogliotti S., 1997.

42 Análisis clásico del crecimiento de cultivos Tasa de Asimilación Neta (g m -2 hoja d -1 ) = Tasa de crecimiento (g m -2 suelo d -1 ) IAF (m 2 hoja m -2 suelo) Rendimiento (kg ha -1 ) = TC (kg ha -1 d -1 ) * Largo del ciclo (d) * IC (kg kg -1 )

43 Definiciones de conceptos - Crecimiento: proceso de aumento de peso y/o volumen asociado a la división celular y elongación celular. - Desarrollo: cambios progresivos que reflejan estados sucesivos en el ciclo vital de un individuo. Es la ocurrencia sistemática de una secuencia de eventos genéticamente programados.

44 Etapas en el desarrollo de la planta de cebolla gancho bandera Primera hoja Cuarta hoja Inicio de bulbificación madurez dormancia brotación Plena floración Etapa de almácigo Desarrollo y crecimiento de Trasplante hojas Desarrollo y crecimiento de bulbo Fase vegetativa Fase reproductiva

45 Definiciones de conceptos Tasa de crecimiento: aumento de peso o volumen por unidad de tiempo (ej. Kg día -1 ) Tasa de desarrollo: inverso del tiempo transcurrido entre dos etapas del desarrollo (d -1 ).

46 Definiciones de conceptos - Fuente (1): órganos productores de sustratos o asimilados (azúcares simples). - Reservas en las semillas - Azúcares simples y metabolitos primarios producidos por las hojas - Reservas de carbohidratos y compuestos nitrogenados en partes vegetativas de las plantas - Carbohidratos y compuestos nitrogenados recuperados de partes senescentes de la planta. - Fuente (2): disponibilidad total de asimilados para respiración y crecimiento en un período determinado (g CH 2 O por planta por día o kg CH 2 O por ha por día)

47 Definiciones de conceptos - Fosas: órganos o procesos dónde los sustratos o asimilados son consumidos o transformados y almacenados. - todos los órganos en crecimiento - lugares de almacenamiento de reservas - Respiración de mantenimiento y crecimiento - Fuerza de Fosa: capacidad potencial de un órgano (o toda la planta) de acumular o consumir asimilados en un determinado período de tiempo. (g CH 2 O por planta por día o kg CH 2 O por ha por día). Equivale a la Tasa de crecimiento de ese órgano o la planta entera cuando la disponibilidad de asimilados (Fuente) no es limitante.

48 Definiciones de conceptos Relación Fuente / Fosa = Fuente Fuerza de Fosa Fuente/Fosa < 1 Crecimiento limitado por la Fuente Fuente/Fosa > 1 Crecimiento limitado por la capacidad de fosa

49 Estimación de la tasa de asimilación bruta de un cultivo C3 que absorbe toda la radiación incidente y en condiciones óptimas de crecimiento (datos de radiación incidente en el Sur de Uruguay, año 1997) TAB (kg CO2 ha -1 d -1 ) PAR (MJ m -2 d -1 ) dic 30-ene 21-mar 10-may 29-jun 18-ago 7-oct 26-nov 15-ene Fecha Acumulado anual : 180 Mg CO 2 ha -1