Introducción al curso de Fisiología de Cultivos

Ing. Agr. PhD. Santiago Dogliotti

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

Establecimiento agrícola

Productor y su familia

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

Nivel de estudio

Establecimiento agrícola

Productor y su familia

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

Nivel de estudio

Fisiología Vegetal

Fisiología de cultivos

Forrajeras, Cereales, Horticultura, Fruticultura

Taller IV

El desafío paralos 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 crecimientoeconómico

• La demanda de energía de fuentes renovablesaumentará llegando a representar 8 veces la producción actual de alimentos si fuera a abastecerse toda con granos.

Area cultivada

Población

R. trigo

R arroz

Escenario Demanda de biomasa vegetal (Giga toneladas de equivalente grano)

Actual 7 2050 = alimentación humana y animal

12

2050 = alimentación + 10% energía

>17

2050 = anterior + todos los ciudadanos con dieta europea

>23

El desafío paralos próximos 40 años en la producción de alimentos

Producción potencial32 GT EG (de Koning & Van Itersum, 2009)

El desafío paralos próximos 40 años en la producción de alimentos

Factores que definen el rendimiento de los cultivos

POTENCIAL

ALCANZABLE

ACTUAL

ton ha-13 4 7

Nivel productivo

Factores determinantes

Factores limitantes

Factores reductores

- CO2- radiación- temperatura- fisiología - fenología- arquitectura del canopeo

- agua- nutrientes- suelo

- malezas- enfermedades- plagas

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.

Factores determinantes del rendimiento de los cultivos:1. Radiación

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 100 200 300 400

PAR absorbido (J m -2 s -1)

Tasa

de

asim

ilaci

ón b

ruta

(k

g C

O2 h

a-1 h

-1)

hoja

cultivo

Fuente: Lovenstein et al., 1993

7 g CO2 MJ-1

Intercepción de la luz por un cultivo

Distribución del área foliar en profundidad e intensidad luminosa relativa dentro de un cultivo de remolacha azucarera.

IAFIntensidad relativa de la luz en la canopia

Intensidad relativa de la luz en la canopia

IAFProfundidad en la

canopia (cm)

Intercepción de la luz por un cultivo

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0

Indice de Area Foliar

Fra

cció

n de

l PA

R in

cide

nte

inte

rcep

tado

por

la c

anop

ía

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.

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)

Acumulado anual : 67 Mg MS ha-1

0

200

400

600

800

1000

1200

11-dic 21-mar 29-jun 7-oct 15-ene

Fecha

TA

B (

kg C

O2 h

a-1 d

-1)

TC

(kg

MS

ha-1

d-1

)

¿Es realista esta estimación de la cantidad de materia seca producida por

ha y por año?, ¿Por qué?

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

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

2-Ago 1-Sep 1-Oct 31-Oct 30-Nov 30-Dic 29-Ene

Are

a F

olia

r po

r pl

anta

(cm

2)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

Indi

ce d

e A

rea

Fol

iar

FechaFecha 11

Fecha 2

Fecha 3

Pantanoso

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

2-Ago 1-Sep 1-Oct 31-Oct 30-Nov 30-Dic 29-Ene

Are

a F

olia

r po

r pl

anta

(cm

2)

0,0

0,5

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2,5

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3,5

Indi

ce d

e A

rea

Fol

iar

FechaFecha 11

Fecha 2

Fecha 3

Pantanoso

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)

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.

1. Efecto de la temperatura en la Tasa de Asimilación Neta

2. Efecto de la temperatura en el desarrollo de los cultivos

Factores determinantes del rendimiento de los cultivos:

2. Temperatura

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

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Te m pe ra tura ªC

Tas

a de

apa

rició

n de

hoj

as (

hoja

s . d

-1)

Tasa de aparición de hojas en tomate en función de la temperatura media diaria (De Koning, 1995)

Influencia de la temperatura en la tasa de desarrollo

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0 10 20 30 40

Temperatura ºC

Tas

a de

ger

min

ació

n (d

-1)

Tiempo térmico (ºC día) = Tiempo (d) * (T media – T base)

Influencia de la temperatura en la tasa de desarrollo

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.

Transpiración (mm d-1)

Contenido de agua en el suelo (fracc. vol.)

Factores determinantes del rendimiento de los cultivos:

3. Disponibilidad de agua

Conductividad estomática afectada por el potencial hídrico de las hojas

Relación entre la conductividad estomática, como porcentaje de la máxima, y

potencial hídrico de la hoja para varios cultivos.(Fuente: Turner, 1974).

(10 bar = 1 Mpa)

TAB limitada por agua

TAB potencial=

Transpiración limitada por agua

Transpiración potencial

Factores determinantes del rendimiento de los cultivos:

3. Disponibilidad de agua

Deficiencia severa

Concentración de nutrientes en los tejidos de la planta

Tasa de crecimiento

Deficiencia media

Concentración mínima

5% reducción

Concentración crítica

Consumo de lujo

Rango tóxico

Fuente: Smith, 1962

Concentración máxima

Factores determinantes del rendimiento de los cultivos:

3. Disponibilidad de nutrientes

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)

Influencia de la disponibilidad de N en la TAN

TAN (kg CO2 ha-1 h-1) = 725*N(kg kg-1) – 2.75

Respiración de Mantenimiento

Tasa de asimilación bruta

Asimilación Bruta

IAF

TemperaturaRadiaciónNitrógeno CO2Agua

Asimilación Neta

Biomasa total

RM (20 ºC) = 0.015 g CH2O g MS-1

(se duplica cada 10 ºC)

Asimilación Neta

Hojas Tallos Raíces Frutos

Crecimiento

ParticiónFC FC FC FC

Desarrollo

Estado de desarrollo

Semillas

FC

Respiración Manten.

TAB

Asimilación Bruta

Hojas Tallos Raíces Frutos

Crecimiento

ParticiónFC FC FC FC

IAF

Desarrollo

Estado de desarrollo

AFE

TemperaturaRadiaciónNitrógeno CO2Agua

Semillas

FC

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 3.030 0.159 0.31

Lignina 2.119 0.112 0.45

Proteínas 1.824 0.096 0.52

Carbohidratos 1.211 0.064 0.78

Acidos Org. 0.906 0.048 1.05

Costos de conversión de azúcares simples a distintos órganos vegetales

Organo Carboh. Prot. Grasas Lignina Ac. Org. Minerales FC

Poroto 55 29 1 7 4 4 0.57

Maíz 75 8 4 11 1 1 0.67

Papa 78 9 0 3 5 5 0.78

Trigo 76 12 2 6 2 2 0.70

Soja 29 37 18 6 5 5 0.46

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 4500 85 3825 0.45 8500

Papa 35000 20 7000 0.78 8970

Tomate 150000 5 7500 0.60 12500

Arroz 7000 85 5950 0.45 13200

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 4500 85 3825 0.45 8500

Papa 35000 20 7000 0.78 8970

Tomate 150000 5 7500 0.60 12500

Arroz 7000 85 5950 0.45 13200

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 4500 85 3825 0.45 8500

Papa 35000 20 7000 0.78 8970

Tomate 150000 5 7500 0.60 12500

Arroz 7000 85 5950 0.45 13200

Algunos conceptos básicos

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 = W2 - W1 / t2 - t1

T iempo (días)

Mat

eria

Sec

a T

otal

(k

g m

-2)

W2

W1

t1 t2

Análisis clásico del crecimiento de cultivos

Tiempo (días)

Tas

a de

cre

cim

ient

o (k

g m

-2 d-1

)

Tiempo (días)

Mat

eria

Sec

a T

otal

(k

g m

-2)

Tiempo (días)

Tas

a cr

ecim

ient

o re

lativ

o (k

g d-1

kg

-1)

TCR (kg d-1 kg-1) = (dW / dt ) * 1/W

Análisis clásico del crecimiento de cultivos

Indice de área foliar (IAF) = Area foliar por planta (cm2)

Superficie ocupada por una planta (cm2)

0

1

2

3

4

5

T ie m p o (d ías )In

dice

de

Are

a F

olia

r (I

AF

)

Duración del área foliar (DAF) = Integral del IAF en función del tiempo

0

1

2

3

4

5

T iempo (días)

Indi

ce d

e A

rea

Fol

iar

(IA

F)

DAF

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

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 50 100 150 200

Día del año

Pes

o se

co a

cum

ulad

o (g

pla

nta

-1)

Total

Frutos

Hojas

Tallos

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.

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 (m2 hoja m-2 suelo)

Rendimiento (kg ha-1) = TC (kg ha-1 d-1) * Largo del ciclo (d) * IC (kg kg-1)

=

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.

Etapas en el desarrollo de la planta de cebolla

gancho

banderaPrimera hoja

Cuarta hoja

Inicio de bulbificación madurez

dormancia

brotaciónPlena floración

Etapa de almácigo

Trasplante

Desarrollo y crecimiento de

hojas

Desarrollo y crecimiento de

bulbo

Fase vegetativa Fase reproductiva

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).

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 CH2O por planta por día o kg CH2O por ha por día)

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 potencialde un órgano (o toda la planta) de acumular o consumir asimilados en un determinado período de tiempo. (g CH2O por planta por día o kg CH2O por ha por día). Equivale a la Tasa de crecimiento de ese órgano o la planta entera cuando la disponibilidad de asimilados (Fuente) noes limitante.

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

Estimación de la tasa de asimilación bruta de un cultivo C3 queabsorbe toda la radiación incidente y en condiciones óptimas de

crecimiento (datos de radiación incidente en el Sur de Uruguay, año1997)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

11-dic 30-ene 21-mar 10-may 29-jun 18-ago 7-oct 26-nov 15-ene

Fecha

TAB

(kg

CO

2 ha

-1 d

-1)

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

PA

R (

MJ

m-2 d

-1)

Acumulado anual : 180 Mg CO2 ha-1