Espacio Curricular Fisiología Vegetal

Nutrición VegetalUnidad 5

Nutrición Vegetal: Antecedentes históricos. Concepto de esencialidad. Macro y micronutrientes. Mecanismo de absorción de iones. Métodos de estudio. Factores que afectan la absorción. Hidroponia. Función de los elementos esenciales y síntomas de deficiencias. Determinación del estado nutritivo de las plantas. Criterios fisiológicos de la fertilización.

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DESCOMPONEDORES

ENERGÍA SOLAR

CO2

ATMÓSFERA

FOTOSÍNTESIS HIDRATOS DE

CARBONO PRODUCTOR PRIMARIO

OTRAS SUSTANCIAS

SUELO Restos orgánicos

SALES MINERALES Y AGUA

(Grasas, proteínas, etc.)

1. El proceso fotosintético y ciclado de elementos minerales.

C H O

N, P, K, Ca, Mn, Mo, Cu, Zn

95 %

5 %

Hidroponia

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Un poco de historiaFines del siglo XVIII De Saussure estudio la fotosíntesis

y la absorción de nutrientes por las plantas estableciendolos primero métodos de estudio y el criterio de que notodos los elementos pueden ser indispensables para las plantas: Surge el concepto de elemento esencial.

Sprengel (1787-1859): un suelo puede ser improductivo desde el punto de vista agrícola por ausencia exclusivade un elemento esencial: precursor de la ley del mínimo.

Boussingault (fines siglo XVIII) estudio la relación entrelos efectos de fertilizar los suelos, la absorción de nutrientes y el rendimiento de los cultivos

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Un poco de historiaJ. Sachs (1880) demostró por primera vez que las plantas

podían crecer y desarrollarse en soluciones nutritivas total-mente carente de suelo: precursor de los cultivos hidropónicos

A final del siglo XIX, especialmente en Europa, se utilizaban grandes cantidades de potasa, superfosfato y posteriormente nitrógeno inorgánico.

Arnon y Stout (1934) establecen los criterios para definirun elemento esecial: criterios de esencialidad o postuladosde Arnon.

Hogland y Arnon (1950) y de Hewitt (1966) marcaron un hito en la investigación de los cultivos hidropónicos al establecer las famosas y conocidas soluciones nutritivas

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UT3 CH Soluciones nutritivas -

*Un ml de B se añade a un litro de A, para componer las soluciones. Sepone un ml de la solución C a la mezcla anterior, justamente antes deusarla.*Mantener el pH constante alrededor de 6*Asegurar una buena aireación de las raíces*C bi i di l l i l

Sol. Hogland y Arnon (1938)

Ml/l

SOLUCIÓN A (Macronutrientes) KH2PO4 Fosfato monopotásico (molar) 1 KNO3 Nitrato de potasio (molar) 5 Ca(NO3)2 Nitrato de calcio (molar) 5 MgSO4 Sulfato de magnesio (molar) 2 SOLUCIÓN B (Micronutrientes) g/l H3BO3 Acido bórico 2,86 MnCl2.4H20 Cloruro de manganeso 1,81 ZnS04.7H20 Sulfato de zinc 0,22 CuSO4.5H20 Sulfato de cobre 0,08 H2MoO4.H20 Ácido molibdico 0,09 SOLUCIÓN C (Hierro) Tartrato de Hierro 0,5 %

NUTRICION O FERTILIZACION?

• Nutrición vegetal: cómo se alimentan los vegetales

• Fertilización: como se le administran los alimentos a los vegetales

• Los alimentos son:• Carbono (C)• Oxígeno (O)• Hidrógeno (H)

Elementos minerales

Aire

Agua

Suelo ode una solución

nutritiva

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Funciones de los elementos minerales

Las cenizas (elementos minerales) de una planta representan un 5 a 7 % del peso seco total, su importancia es vital para las plantas aunque se requieran en bajísimas cantidades como los micronutrientes.

La esencialidad de un elemento se define entre otras cosas porque su falta en la planta le impide cumplir el ciclo completo de vida.

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Criterios de Arnon(para determinar la esencialidad de un elemento mineral)

• Una planta será incapaz de completar su ciclo vital en ausencia del elemento mineral considerado.

• La función que realice el mineral debe ser única (no puede ser reemplazado por otro)

• El elemento deberá estar directamente implicado en el metabolismo -ejemplo: Componente de moléculas o en alguna reacción enzimática-

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2. Composición elemental de las plantas

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Clasificación de los elementos minerales

• ESENCIALES • NO ESENCIALES• Macronutrientes• Nitrógeno N• Fósforo P• Potasio K• Calcio• Magnesio• Azufre• Micronutrientes• Fe, Mo, Bo, Mn, Cl, Zn,

Cu, Ni

• Plata• Oro

• Elementos beneficiosos• Sodio• Sílice• Cobalto• Yodo

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Análisis químico de una planta de maízElemento % de toda la pl. Elemento % de cenizas

OXIGENO 44,4 N 25,9CARBONO 43,6 P 3,6HIDROGENO 6,2 K 16,4CENIZAS 5,8 Ca 4,0

Mg 3,2S 3,0Fe 1,5Si 20,8Al 1,9Cl 2,5Mn 0,6

No Determin. 16,6

Clasificación de los nutrientes minerales de las plantas de acuerdo a su función bioquímica

Elementos FuncionesGrupo 1 Nutrientes que forman los compuestos orgánicos de las plantasN Constituyente de amino ácidos, proteínas, ácidos nucleicos, nucleótidos.S Constituyente de coenzimasGrupo 2 Nutrientes que son importantes en el almacenamiento de energíaP o en la integridad estructuralBSiGrupo 3 Nutrientes que continúan bajo forma iónicaKNaMgCaMnClGrupo 4 Nutrientes que están involucrados en la transferencia de electronesFeCuZnMoNi

Fuente: After Evans y Sorget 1996 y Mengel y Kirkby 1987. UT5_FV 2007

ELEMENTOS ESENCIALES

Fuente: Azcon Bietto y Talon 2003

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3. Funciones de algunos elementos minerales

N Aminoácidos, proteínas, molécula de clorofila, ácidos nucleicos

P Metabolismo energético de la célula (ATP) ácidos nucleicos, fosfolípidos

K Regulador osmótico, activador enzimático

Ca Elemento constituyente de las paredes celulares vegetales (estructura)

Mg Núcleo central molécula de clorofila

Micro Activadores enzimáticos, fotosíntesis (Cl-)

El potasio (K)comoosmoreguladoren el mecanismode aperturay cierreestomático

Fuente: Azcon Bieto y Talon, 2003

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El Calcio (Ca) como metabolito

Fuente: Azcon Bieto y Talon, 2003

Respuesta de la planta ante el agregado de fertilizantes

(deficiencia)a

b

cd

Contenido

e

Concentración

Resp

uest

a

Micronutrientes

Macronutrientes

a. Sector lineal

b. Aumentos decrecientes

c. Consumo de lujo

d. ToxicidadUT5_FV 2007

Elementos minerales clasificados sobre la base de su movilidad en la planta y su tendencia a

removilizarse durante una deficienciaMóvil InmóvilNitrógeno CalcioPotasio SulfatoMagnesio HierroFósforo BoroCloro CobreSodioZincMolibdeno

NOTA: Los elementos están listados en orden a su abundancia o cantidad en la planta.Fuente: Taiz, L. y Zeiger, E. 1998. PlantPhisiology 2da. Ed.

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3.1. FUNCIONES METABOLICAS DE LOS

MICROELEMENTOSLas ilustraciones y algunos comentarios de esta sección fueron tomadas de:

Amparo Medina Torres (2006). Fisiología de los elementos menores. Bogotá, Colombia

Dr. Calderon Labororios Ltda.

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Molibdeno

Aunque es un metal, en solución acuosa se encuentra como MoO4

2-

(oxianión). Se comporta como anión, e incluso en el suelo es similar al fosfato, siendo también fijado a bajo pH.

Forma parte de enzimas como:

NitrogenasaNitrato reductasa

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Hierro

Las principales funciones se relacionan con:

Síntesis de clorofilaRespiración (citocromos y citocromo oxidasa)Activación enzimáticaForma parte de enzimas claves como nitrito

reductasa, sulfato reductasa y del NADP

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Cobre

Es absorbido en bajas cantidades. Después del Fe, es el microelemento con mayor facilidad para formar quelatos, por lo que se cree que esta es la principal forma de asimilación. La mayoría del Cu se localiza en los cloroplastos, formando parte de la plastocianina. Activa numerosas enzimas clave, siendo importante para el metabolismo del nitrógeno y los carbohidratos.

Las principales enzimas que contienen Cu son:

SuperoxidismutasaCitocromo oxidasa

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Cobre

Se absorbe como Cu2+, pero también como quelato(compuestos de bajo peso molecular)

Se absorbe activamente

Se transloca asociado a compuestos nitrogenados de bajo peso molecular

Aunque es poco móvil, puede ser translocado de tejidos viejos a jóvenes

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Manganeso

Activación de enzimas para el metabolismo del N.

Activación de enzimas del ciclo de Krebs

Activador de la AIA oxidasa

Síntesis de proteínas, carbohidratos y lípidos

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Zinc

Síntesis de proteínas y el metabolismo de carbohidratos

Hay considerable evidencia de la participación del Zn en la síntesis de AIA, pero no se conocen con exactitud los mecanismos.

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Hierro (Fe)

Fuente: Azcon Bieto y Talon, 2003

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Níquel: elemento recientemente incorporado como esencialEsta siempre presente en tejidos vegetales en valores muybajos (0,05 a 5,0 mg kg-1 de PS). Gran parte se encuentra acumulado a nivel de semilla.En cereales y legumbres (poroto y soja) la forma de NH4fijado en los nódulos son ureidos, ac. Alantoico y citrulina.El metabolismo de los ureidos implica formación de urea, la cual solo puede hidrolizarse en presencia de ureasa, enzimaque requiere Ni. El NH4 es tóxico a nivel de tejidos.

3.2. FUNCIONES METABOLICAS DE LOS

MACROELEMENTOS

Ver: Manual de prácticas de F.V. Pág. 38-43

Ver: Fisiología Vegetal de Sivori et al. Pág. 245-257

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4. ABSORCION Y TRANSLOCACION

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Intercambio gaseoso (O2 y C02) más vapor de agua (transpiración)

Moviemiento ascendente de Agua y solutos y descendentede savia

Secreción de sustancias metabolicas de las raices, intercambio con coloidesdel suelo, absorción de nutrientes.

Abosorcion de agua

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Procesos de intercambio a nivel de pelos absorbentes radicales

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Sales o iones minerales en el suelo* En la solución acuosa del suelo* Adsorbido a los coloides del suelo (arcilla - humus)* Formando parte de la estructura cristalina de la rocaSERIE LIOTROPICA (Cationes)

SERIE LIOTROPICA (Aniones)

Al, H, Ba, Sr, Ca, Mg, K, NH4, Liarcilla+ retenidos ---------------------> - retenidos

OH- , PO4H-2, CO3H- , SO4

=, NO3-arcilla

+ retenidos ---------------------> - retenidos

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ETAPAS DE LA ABSORCION SALINA

1) Adsorción a la micela del suelo2) Capacidad de intercambio catiónico(raíz-suelo)- Leguminosas alta (30-45 meq/100g MS- Gramíneas baja (10 a 20)

3) Absorción en la interfase del E.L.A. (ej.Células de cebolla - Rojo neutro)

4) Absorción. Verdadera acumulación de iones en el espacio interno (E.I.)

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Esquema de una sección longitudinal y transversal de una raíz de cebolla. (Tomado de Moller, I.M. Membranas celulares y transporte, 1993).

Zona 1: ápice radicular ymeristemo apical.

Zona 2: endodermis, xilema y floema en faz de maduración, pero sin exodermis.

Zona 3: endodermis y exodermismadura

Zona 4: zona donde se desarrollan las raíces laterales

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Estructura de membrana biológica

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Vías de entradas de agua y solutos en la raíz

3. ABSORCION Y TRANSLOCACION

simplastica

apoplastica

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Microfotografías ópticas de secciones de raíces de cebolla

(Tomado de Moller, I.M. Membranas celulares y transporte, 1993.)

Microfotografias mostrando la endodermis y la exodermis A) vista en campo claro de la zona 3 con la epidermis (ep), exodermis (ex), cortex ©, endodermis (en), silema (x) y floema (p). Las barras = 50 um. B) zona 2 teñida y vista bajo luz ultravioleta para visualizar lignina y suberina. Se aprecia la banda de Cáspari tanto en la endodermis como en la exodermis.

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Transporte a través de membranas

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Vacuola

1- ATPasa tipo P2- ATPasa tipo V3- Pirofosfatasa4- Sistema de cotransporte(simporte)5- Sistema de transporteinvertido o antiporte6- Canal iónico permeablea malato7- Fosfoenolpiruvatocarboxilasa8- Enzima málica

Fuente: Azcon Bieto y Talon, 2003

Modelos posibles de pasajes de iones

Transportadores o carriers Canales iónicos

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Tipos de transporte a través de membranas biológicas

TRANSPORTE PASIVO

Ley de Fickecuación de Nernst (cargas) ecuación de Ussing-Teorell (Flujo de membrana) ecuación Goldman (varios cationes y aniones K+, Na+ y Cl-)

TRANSPORTE ACTIVO

Las partículas sin carga son transportadas activamente si su movimiento neto es contra gradiente de concentración, y las partículas con carga eléctrica son transportadas activamente si su movimiento neto es contra gradiente de su potencial electroquímico. En cualquiera de los casos es necesario el aporte de Energía en forma de ATP.

Intervienen las ATPasas-H+ de membrana

Lugares donde se localiza el transporte en la membrana: PROTEINAS DE TRANSPORTE

Bombas Traslocadores o transportadores ("carriers") Canales ó canales iónicos ó poros

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Interrelación entre algunos procesos fisiológicos que ocurren en raíces ypartes aéreas y que influyen en la absorción de sales minerales del suelo(según Starr yTaggart, 1989)

Formación de ATP en la raíz

Respiración de sacarosa en la

raíz

Absorción de sales y agua

por la raíz

Transporte de sacarosa a la

raíz

Transporte minerales y agua

a las hojas

FOTOSINTESIS

5. Factores que afectan la absorción de agua y nutrientes

• Oxigeno• pH• Salinidad (C.E.)• Temperatura

El ancho de las bandasY la densidad de puntosIndica la disponibilidad Del elementoFuente: Hunger Sins unCrops, 1964

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6. Fertilizante : Definición

• Se consideran fertilizantes aquellas sustancias naturales o sintéticas

• que se añaden al suelo o a las plantas • para poner a disposición de éstas • sustancias nutritivas necesarias para su

desarrollo

En términos agronómicos: una materia fertilizante es cualquier sustancia que contenga cantidad apreciable y en forma asimilable uno o varios de los elementos nutritivos esenciales para los cultivos.

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Formulación

Riqueza de los fertilizantes:• Riqueza, graduación, análisis o

concentración de un abono o fertilizante es la cantidad de elemento nutritivo asimilable, que contiene por unidad de peso de producto.

En el caso de los fertilizantes simples, la riqueza corresponde a la cantidad del único elemento nutritivo que contiene, expresada en porcentaje o lo que es igual, en Kg de elemento por cada 100 Kg de producto.

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Tipos de fertilizantes

• OrgánicosDerivados de productos

vegetales o animales

• Minerales, químicos o inorgánicos

Productos obtenidos mediante procesos químicos industriales

• SimplesContienen uno de los

tres elementos (NPK)• CompuestosDos o tres elementos

principales (NP, NK) • ComplejosVarias especies

químicas

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Fertilizantes más comunes

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MARBETES

7. CULTIVOS HIDROPONICOS

EtimologíaDefiniciónHistoriaTipos de cultivoClasificaciónAeroponiaNFTFactores a controlarVentajas y desventajasUsos comerciales

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Cultivo hidropónicoEtimología

• Hydros = agua• Ponos = trabajo, labor Actualmente se usan 3 definiciones 1) Cultivo hidropónico puro2) Cultivo hidropónico propiamente dicho3) Cultivo semihidropónico4) Aeroponia = 2)

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Definiciones• CULTIVO HIDROPÓNICO PURO, sería aquel en el

que, mediante un sistema adecuado de sujeción, la planta, desarrolla sus raíces en medio líquido (agua con nutrientes disueltos) sin ningún tipo de sustrato sólido. Cultivos en agua (acuicultura).

• CULTIVO HIDROPÓNICO EN SU CONCEPCIÓN MÁS AMPLIA, engloba a todo sistema de cultivo en el que las plantas completan su ciclo vegetativo sin la necesidad de emplear el suelo, suministrando la nutrición hídrica y la totalidad o parte de la nutrición mineral mediante una solución en la que van nutrientes esenciales para su desarrollo. El concepto es equivalente al de "cultivos sin suelo", y supone el conjunto de cultivo en sustrato más el cultivo disueltos los diferentes en agua. Aeroponia

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Definiciones

• CULTIVO SEMIHIDROPÓNICO suele utilizarse cuando se emplean sustratos no inertes (turba, fibra de coco, corteza de pino, otros sustratos orgánicos, mezclas con fertilizantes de liberación controlada, etc.) que suministran una importante parte de los nutrientes a la planta.

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Un poco de historia• Jardines de babilonia• 1699- Woodward logró hacer crecer "hierba buena"

(menta), en agua de pozo, solamente. • 1940- Sachs y Knop primeros cultivos hidropónicos.• 1940-45- 2da. Guerra Mundial para alimentación de

los soldados con vegetales frescos en el frente.• 1929-40- D. Wm. F. Gericke, profesor de Fisiología

Vegetal en la Universidad de California –Cultivos en gran escala- 1ra vez que se usa el término hidroponia.

• Uso comercial: España, Francia, Italia, Suecia, Inglaterra, Alemania, Japón

• Hidroponia Popular (FAO, 1996)UT1_CH – Generalidades 2006

Cultivos sin suelo

• A. cultivos en agua

• B. cultivos en sustratos inertes

• B1. en sustratos orgánicos naturales

CultivoshidropónicosCultivos

Sin

Suelo

Cultivos en agua ??: En realidad son siempre en una solución nutritiva

Def.: todo aquel sistema de cultivo que no utiliza ningún anclaje sólido en el cual crece el aparato radical y por lo tanto que le sirva para fijar al mismo.

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Cultivo en aguaSistema básico de cultivo

Bandeja – Malla

Y soporte de plantas

Aireación

Del medio

Solución Nutritiva

Pared del recipiente, impermeable y oscura

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Cultivo en aguaSistema básico de cultivo

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Aeroponia

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Sacos colgantes - AeroponiaCultivo de frutillas (fresas)

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Terminología• Sustrato (orgánico – inorgánico – mixto)• Solución nutritiva• Contenedor = Vaso = maceta = recipiente• Sistema cerrado• Sistema abierto• Acuicultura• Cultivo sin suelo (soilless culture)• Aeroponía• Hyponia• NFT (Nutrient film technics)

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Clasificación de los sistemas de cultivo sin suelo (Bentos Jones 1984)

En agua Orgánicos Inorgánicos Mixtos

NFT Mezclas de turbas

Grava Turba-vermiculita

Aeroponia Corteza de pino

Escoria volcánica

Corteza-vermiculita

En disolución nutritiva continuamente aireada (hyponia)

Cascarilla de arrozEtc.

VermiculitaEtc.

Etc.

Cultivos en sustrato

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Porque usar estos sistemas• Por cuestiones ambientales (deterioro del suelo,

salinidad, zonas áridas).• Aprovechamiento de la luz solar (horas)• Ahorro en uso de agua • Mayor calidad y cantidad de productos, con

mínimo consumo de agua y fertilizantes• Los cultivos deben mantener una producción,

calidad y precio de mercado sostenidos• Producción de primicias en productos hortícolas• Producción de forraje hidropónico de calidad

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Desventajas• El costo elevado de la infraestructura e instalaciones que

configuran el sistema.• El costo añadido que representa el mantenimiento de las

instalaciones.• El costo de la energía consumida por las instalaciones.• La producción de residuos sólidos, a veces, difíciles de

reciclar.• La acumulación de drenajes cuando se riega con aguas

de mala calidad.• La contaminación de acuíferos cuando se practican

vertidos improcedentes.• El costo de las instalaciones y de la energía necesaria

para reutilizar parte de los drenajes producidos.

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Soluciones nutritivas inicialesIones(mmoles/l)

Tomate Lechuga Pepino

NO3- 13,5 19 14 NH4+ 0 0.5 0.5 H2PO4+ 1.5 2 1.6 K+ 8 9 5.5 Ca+2 5 5,5 4.5 Mg+2 2 2,25 2.2 SO4-2 3,5 1,5 2 Na+ <12 <10 <6 Cl- <12 <10 <6

FIN

FORRAJE HIDROPÓNICO – FCA - UNER

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Bibliografía• AZCON-BIETO, J. y M. TALON. 2003. Fundamentos de

Fisiología Vegetal. McGraw-Hill, Madrid. 522 p. Cap. 6, 7 y 8.

• BARCELO COLL, J.; NICOLAS RODRIGO, G.; SABATER GARCIA, B.y SANCHEZ TAMES, R. 1992. Fisiología Vegetal, 6a. Edición, Pirámide, Madrid. 662 p.

• HOUBA, V.I.G. and J. UITTENBOGAARD. 1994. Chemical composition of various plant species. IPE (International Plant Analytical Exchange), The Netherlands. 226 p

• TAIZ, L. Y E. ZEIGER. 1998. Plant Physiology. SinauerAssociates, Inc., Publishers (2nd. Edition). Sunderland, Massachusetts. 792 p.

• BENTON JONES, J. Jr.; WOLF, B. y H.A. MILLS. 1991. Plant analysis handbook. Micro-Macro Publishing, Inc. 213 p.

Ficha técnica de la presentación• Fecha/s de creación: 3 al 7 mayo 2007, actualización

2/05/09(1 hora), 20/04/10 (1hora)• Fecha/s de exposición: 07/05/07, 4/05/09, 21/04/10• Lugar: FCA – UNER • Motivo: Curso Regular de Fisiología Vegetal• Diseño y compaginación: Víctor H. Lallana• Tiempo empleado en la creación: 12 horas• Extensión en Bytes o KB: 4.205 KB• Nombre del archivo: UT5_Nutrición vegetal• Fecha de modificación: 20/04/10• Impresión: SI NO x• Contenidos (ver pagina siguiente)

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Contenidos• Nutrición Vegetal: Antecedentes históricos. Concepto de esencialidad. Macro y

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