Fertilización de precisión paso a paso para cuantificar la acumulación y partición de nutrientes en sistemas de boniato de doble temporada

Summary

Este protocolo detalla un método de fertilización de precisión por etapas sincronizado con las etapas fisiológicas de crecimiento para optimizar el suministro de nutrientes en sistemas de boniato de doble temporada. Incluye procedimientos para cuantificar la acumulación de nutrientes específicos de órganos, ajustar modelos dinámicos no lineales a trayectorias de absorción y calcular los balances nutricionales aparentes para mitigar riesgos ambientales.

Abstract

La producción de boniato fresco en doble temporada suele experimentar un desajuste entre el suministro de nutrientes del suelo y la demanda de cultivos, lo que conduce a un rendimiento subóptimo y a un uso ineficiente de los recursos. La fertilización tradicional suele depender de aplicaciones basales que no cumplen con los requisitos dinámicos del cultivo bajo condiciones meteorológicas distintas de primavera y otoño. Este artículo presenta un protocolo completo para una estrategia de fertilización de precisión que sincroniza los insumos de nitrógeno, fósforo y potasio con nodos fenológicos críticos. El método divide los insumos totales de nutrientes en cinco eventos de aplicación distintos correspondientes a etapas específicas de crecimiento: establecimiento de plántulas, expansión de la vid, inicio de tubérculos, volumen rápido y maduración. El protocolo describe además un riguroso régimen de muestreo destructivo para diseccionar la partición de nutrientes de planta completa. Mediante modelos de regresión no lineal logística, los investigadores pueden cuantificar la capacidad máxima de acumulación, la duración de la fase de absorción rápida y los puntos de inflexión de la absorción de nutrientes. Este enfoque permite identificar con precisión ventanas de absorción críticas y evaluar los balances de nutrientes aparentes. La aplicación de este protocolo facilita la optimización de los regímenes de fertilización, mejorando tanto el rendimiento radicular de almacenamiento como la calidad comercial, al tiempo que reduce los riesgos asociados a déficits o excedentes de nutrientes en sistemas intensivos de doble cultivo.

Introduction

La batata (Ipomoea batatas. L.) ha evolucionado de ser un cultivo de subsistencia a una fuente funcional de alimento de alto valor y materia prima^{industrial 1,2}. En regiones agrícolas intensivas, los sistemas de doble cultivo —donde se cosechan dos cultivos anualmente de la misma tierra— se adoptan cada vez más para maximizar las proporciones equivalentes de tierra y los rendimientos^{económicos 3}. Sin embargo, la sostenibilidad de estos sistemas de alta intensidad se ve frecuentemente comprometida por estrategias de gestión de nutrientes ineficientes que pasan por alto la variabilidad temporal en la demanda de nutrientes de los cultivos y las variaciones climáticas^{estacionales 4,5}.

El desafío fundamental en el cultivo de doble temporada radica en los contextos meteorológicos distintos de las estaciones de crecimiento de primavera y^{otoño 6}. Los cultivos de primavera se desarrollan bajo temperaturas crecientes y duración del día, mientras que los de otoño sufren un descenso gradual de la energía térmica y la radiación^solar. Estas disparidades ambientales alteran significativamente la progresión fenológica, las tasas de acumulación de biomasa y las eficiencias de translocación fuente-sumidero del^{cultivo 5,8}. Las prácticas convencionales de fertilización, que normalmente implican una aplicación basal intensa de fertilizantes compuestos seguida de un recubrimiento irregular, a menudo resultan en un desajuste entre oferta y^{demanda 2}. Este desajuste se manifiesta como consumo de lujo durante la fase vegetativa temprana, lo que conduce a un crecimiento excesivo de la vid a costa de la formación de tubérculos, o hambre oculta durante la fase tardía de volumen, donde la senescencia prematura limita el potencial final^{de rendimiento 2,9}.

La gestión del nitrógeno (N) presenta un desafío específico en la producción de boniato debido a sus efectos fisiológicos^duales. Aunque es esencial para el establecimiento del dosel y la capacidad fotosintética, la disponibilidad excesiva de nitrógeno antes del inicio de los tubérculos suprime significativamente el desarrollo de raíces de almacenamiento, desplazando la partición de los asimilados hacia el follaje en lugar de hacia órganos de almacenamiento^{subterráneos} 10,11,12. Por el contrario, la deficiencia de nitrógeno durante las etapas avanzadas de crecimiento acelera la senescencia de las hojas y acorta el periodo fotosintético efectivo. Metaanálisis recientes indican que optimizar las tasas y el momento de aplicación de nitrógeno es el factor más influyente para estabilizar los rendimientos en diversos tipos de suelo ^6,13.

Las dinámicas del fósforo (P) y del potasio (K) presentan requisitos de gestión igualmente complejos. El fósforo es fundamental para la iniciación de primordios radiculares y los procesos de transferencia de energía, pero a menudo se aplica en exceso en la fertilización inicial, lo que conduce a la acumulación del suelo y a la posible escorrentía ambiental ^1,14. El potasio, a menudo denominado elemento de calidad para los cultivos de raíz, se requiere en cantidades sustanciales durante la fase de almacenamiento rápido y agrandamiento radicular para facilitar la carga y el transporte del floema de sacarosa desde las hojas hasta los órganos de^{hundimiento 15,16}. Una deficiencia de potasio durante esta ventana crítica compromete no solo el rendimiento total sino también la comercialización comercial de los tubérculos, lo que conduce a un mal estado y a una reducción del contenido de^{almidón 17,18}.

Para abordar estas complejidades agronómicas, existe una necesidad urgente de una metodología estandarizada y cuantificable que vaya más allá de la fertilización empírica. La agricultura de precisión requiere protocolos que vinculen acciones de gestión específicas con respuestas fisiológicas. Los avances recientes en la modelización de trayectorias de absorción de nutrientes mediante funciones logísticas no lineales han proporcionado nuevas perspectivas sobre los patrones temporales de los requerimientos nutricionales^{de los cultivos19}. Al adaptar estos modelos a datos de campo, los investigadores pueden determinar matemáticamente el inicio y el cese de las fases de absorción rápida, identificando así las ventanas precisas donde la intervención de fertilización produce el mayor retorno^{marginal 20}.

Específicamente, mientras que las aplicaciones tradicionales divididas dependen de días calendarios, el SPF determina los eventos de fertilización en función de puntos de inflexión fisiológicos cuantificables. Extrayendo parámetros como la tasa máxima de acumulación (R_máx) y el tiempo del punto de inflexión (t₀) de los modelos logísticos, los profesionales pueden identificar la ventana biológica exacta para la intervención. Esto minimiza el excedente de nutrientes y vincula directamente las estrategias de aplicación temporal con una mejora de la calidad comercial.

Este artículo presenta un protocolo de Fertilización de Precisión Escalonada (SPF) diseñado para sincronizar la entrega de nutrientes con el ritmo fisiológico de la batata de doble temporada. A diferencia de la fertilización estática, el SPF emplea una estrategia de asignación dinámica que distribuye nutrientes en cinco etapas clave de crecimiento. Este método integra rigurosos marcos de muestreo y análisis para cuantificar la partición de nutrientes específicos de órganos y las trayectorias de acumulación de plantas completas. El objetivo es proporcionar un flujo de trabajo reproducible y científicamente robusto que permita a investigadores y profesionales avanzados optimizar la eficiencia del uso de nutrientes, mejorar el rendimiento comercial y mantener la fertilidad del suelo en sistemas de cultivo^{intensivo 21,22}.

Los modelos tradicionales de fertilización suelen estimar el contenido de nutrientes utilizando supuestos lineales estáticos o días de calendario fijos, que difieren fundamentalmente de nuestro enfoque. Estos métodos convencionales no tienen en cuenta los ritmos biológicos dinámicos y no lineales del crecimiento de los cultivos y las restricciones de eficiencia de utilización de nutrientes²³ . En consecuencia, persiste una brecha significativa en la investigación en la sincronización precisa del suministro de nutrientes con las demandas fisiológicas reales y variables en el tiempo, especialmente en sistemas de doble estación donde la primavera y el otoño presentan desafíos meteorológicos y de desarrollo claramente^{diferentes 24}. Nuestro protocolo de Fertilización de Precisión Escalonada (SPF) aborda esta brecha integrando el modelo de crecimiento logístico para estimar dinámicamente la acumulación de nutrientes. A diferencia de los métodos estáticos, el SPF utiliza puntos de inflexión cuantificables para seguir los desplazamientos temporales en los niveles de nutrientes. Basándonos en este método, ofrecemos una recomendación fundamental: los profesionales deben pasar de aplicaciones arbitrarias de división a intervenciones impulsadas por la fisiología, ajustando dinámicamente los pesos de nutrientes en nodos fenológicos específicos para optimizar la partición estacional y minimizar el excedente^{ambiental 25}.

Específicamente, mientras que las aplicaciones tradicionales divididas dependen de días calendarios, el SPF determina los eventos de fertilización en función de puntos de inflexión fisiológicos cuantificables. Extrayendo parámetros como la tasa máxima de acumulación (R_max) y el tiempo del punto de inflexión (t₀) de los modelos logísticos, los profesionales pueden identificar la ventana biológica exacta para la intervención. Esto minimiza el excedente de nutrientes y vincula directamente las estrategias de aplicación temporal con una mejora de la calidad comercial. Siguiendo este protocolo, los usuarios pueden generar conjuntos de datos de alta resolución que esclarecen los vínculos mecanicistas entre el momento del fertilizante, el estado fisiológico de las plantas y los resultados agronómicos finales.

Protocol

1. Preparación y diseño experimental del sitio

1. Selecciona un lugar experimental con terreno llano, drenaje eficiente y fertilidad homogénea del suelo para minimizar la heterogeneidad espacial.
2. Recoge muestras de suelo compuesto de la capa superior de 0 a 20 cm usando un sinfín Edelman. Toma muestras de cinco puntos aleatorios dentro de cada parcela y combínalas en una sola bolsa de plástico antes de preparar el terreno para cada temporada de crecimiento (primavera y otoño).
3. Seca al aire las muestras de suelo a temperatura ambiente, moléyelas mecánicamente y las pasa por un tamiz de acero inoxidable de 2 mm para analizar las propiedades fisicoquímicas basales, incluyendo el pH, materia orgánica, nitrógeno total, fósforo disponible (Olsen-P) y potasio disponible (K extraíble por NH4OAc).
4. Establecer un diseño aleatorio en bloques para el experimento con un mínimo de cuatro réplicas por tratamiento. Establecer cuatro tratamientos: fertilización convencional (CON), fertilización de precisión escalonada (SPF), enfoque en nitrógeno (NF) y potasio potenciado (KB). Mantener exactamente las mismas asignaciones de parcelas para las estaciones de primavera y otoño para tener en cuenta los posibles efectos heredados.
5. Delimita parcelas individuales con una superficie de aproximadamente 25^m2 (densidad de siembra de 40.000 plantas por hectárea), asegurando la inclusión de hileras tampón (mínimo de 1 m de ancho) entre parcelas para evitar la contaminación cruzada de fertilizantes y la migración lateral de raíces.
6. Excluye las dos filas exteriores de cada parcela como filas de borde para minimizar el sesgo espacial. Designa estrictamente las siguientes 10 plantas consecutivas como la Zona de Muestreo Destructivo. Deja el núcleo central restante de la parcela (mínimo 20 plantas) completamente intacto como Zona de Cosecha, asegurando que el muestreo durante la temporada no comprometa la densidad final de la población vegetal ni la integridad del rendimiento.

2. Cálculo e implementación de la fertilización escalonada

1. Determinar la dosis objetivo total estacional calculando la diferencia entre el requerimiento nutricional para un rendimiento objetivo regional predefinido y el suministro nutritivo autóctono del suelo. Por ejemplo, buscando un rendimiento radicular de almacenamiento objetivo de 35 t/ha, los valores objetivo absolutos aplicados en este estudio fueron 150 kg·ha^⁻1 para N, 75 kg·ha^⁻1 para P₂O⁵ y 225 kg·ha^⁻1 para_K2O.
2. Divide el aporte total de nutrientes en cinco eventos de aplicación distintos (m = 5) correspondientes a los siguientes nodos fenológicos: aplicación basal (en el trasplante); fase de expansión de la vid (diagnosticada cuando comienza la rápida elongación del entrenudo y se estabiliza la supervivencia de la plántula); fase de inicio del tubérculo (diagnosticada tras la primera hinchazón visible de raíces adventicias en primordia blanca); fase rápida de volumen (diagnosticada cuando el cierre del dosel alcanza el ≥80% y las raíces primarias presentan un engrosamiento rápido); fase tardía de volumen/maduración (diagnosticada cuando las hojas basales comienzan a amarillar fisiológicamente temprano).
3. Calcula la dosis específica para cada evento de aplicación usando la fórmula de la razón
   F_x,t = F_x × R_t (1)
   Donde F_x es la cantidad total estacional de nutriente x, y R_t es la proporción de asignación para el evento t^.
   NOTA: Para proporcionar una justificación fisiológica, debe evitarse la N de lujo temprana para evitar la supresión de tuberizaciones, mientras que el K debe mantenerse durante el llenado para apoyar la translocación de almidón. Las proporciones exactas de _{R t} recomendadas para el SPF en las cinco etapas son: Basal (N: 20%, P: 50%, K: 10%), Expansión de la vid (N: 20%, P: 20%, K: 10%), Iniciación de tubérculos (N: 20%, P: 20%, K: 20%), Volumen rápido (N: 30%, P: 10%, K: 40%) y Maduración (N: 10%, P: 0%, K: 20%).
4. Pesa la cantidad específica de fertilizante para cada parcela individualmente usando una balanza electrónica precisa.
5. Aplica el fertilizante.
   1. Para la aplicación de surcos: Abre una zanja poco profunda (10 cm de profundidad) a lo largo del lado de la cresta, distribuye el fertilizante de forma uniforme y cúbrelo inmediatamente con tierra.
   2. Para sistemas de fertigación por goteo: Disuelva completamente el fertilizante calculado hasta una concentración máxima de 2 g/L para evitar obstrucciones del emisor. Inyecta la solución a un volumen estandarizado de 150 L por parcela. Haz funcionar el sistema con agua pura durante 15 minutos antes y después de la inyección para lavar las tuberías, evitando la salinización y asegurando una distribución espacial uniforme.
6. Registra la fecha exacta, las condiciones meteorológicas y el estado de humedad del suelo en el momento de cada aplicación.

3. Muestreo destructivo y partición de órganos

1. Programe ocho puntos de muestreo por temporada para capturar la trayectoria completa de crecimiento: supervivencia de plántulas, elongación de la vid, cierre del dosel, inicio de tubérculos, volumen temprano, volumen intermedio, crecimiento tardío y precosecha.
2. Utilizando un método de muestreo aleatorio estratificado, selecciona tres plantas estrictamente dentro de la Zona de Muestreo Destructivo de 10 plantas, evitando continuamente las filas de frontera.
3. Excava cuidadosamente toda la planta, usando una pala para aflojar el suelo en un radio de 30 cm y así preservar el sistema radicular fino y los pequeños tubérculos en desarrollo.
4. Lava las plantas cosechadas con agua del grifo para eliminar toda la tierra y los restos adheridos.
5. Separa la planta inmediatamente en cuatro fracciones organales distintas: hojas (incluidas las láminas), pecíolos, tallos (enredaderas) y raíces de almacenamiento (tubérculos).
   NOTA: Separar las raíces fibrosas finas de las raíces de almacenamiento según el diámetro (>5 mm para las raíces de almacenamiento).
6. Pesa inmediatamente la masa fresca de cada fracción de órgano para evitar la pérdida de humedad.
7. Corta las muestras de tallo y tubérculo en pequeños cubos (<1 cm) para facilitar un secado uniforme; mantén las hojas y pecíolos intactos pero separados.
8. Coloca cada muestra de órgano en una bolsa de papel etiquetada.

4. Determinación de materia seca y análisis químico

1. Coloca las bolsas de muestra en un horno de aire forzado.
2. Desactiva las enzimas calentando a 105 °C durante 30 minutos.
3. Reducir la temperatura a 75 °C y secar las muestras hasta alcanzar un peso constante (normalmente entre 48 y 72 horas).
4. Pesa las muestras secas para determinar la acumulación de materia seca (DMA) para cada órgano.
5. Muele las muestras secas usando un molino de acero inoxidable y pasa el polvo por un tamiz de 0,25 mm.
6. Digiera 0,2 g de las muestras en polvo utilizando una mezcla 5:1 (v/v) de ácido sulfúrico concentrado (H₂SO₄) y peróxido de hidrógeno al 30% (_{H 2}O₂) a 350 °C para la extracción de nutrientes.
7. Analizar la digestión para nitrógeno total usando el método Kjeldahl o un analizador elemental automático; fósforo total usando el método colorimétrico de vanadio molibdato amarillo; potasio total usando fotometría por llama.
8. Calcula la acumulación de nutrientes ($NA$, kg·^ha-1) usando la fórmula:
   NA = (2)

5. Análisis de datos y ajuste de modelos

1. Calcular el Índice de Cosecha (HI) y el Coeficiente de Partición de Raíces para cuantificar la asignación de biomasa a los órganos económicos.
2. Ajusta los datos de acumulación de nutrientes de raíces de planta y almacenamiento a la ecuación de crecimiento logístico usando la función de mínimos cuadrados no lineales ('nls') en el software R:
   Y = (3)
   Donde Y es la acumulación, A es la acumulación teórica máxima, k es el coeficiente de tasa de crecimiento y t₀ es el tiempo del punto de inflexión.
3. Derivar parámetros secundarios programáticamente: duración de la fase rápida (T_rápido) y tasa máxima (R_máx) usando las fórmulas derivadas: t₁₀ =_{t 0} – ; t₁₀ = t₀ + ; T_rápido =_{t 90} –^{t 10}; R_máximo = 
4. Calcular el Balance Aparente de Nutrientes (B) para cada parcela, donde la 'Eliminación Total de Cultivos' se define estrictamente como la masa total de nutrientes exportada permanentemente del campo a través de las raíces de almacenamiento comerciales y no comerciales cosechadas (excluyendo las vides que quedan en el campo):
   B = Entrada total – Eliminación total de cultivos (4)
   NOTA: "Eliminación total de cultivos" se define estrictamente como la masa total de nutrientes exportada permanentemente del campo a través de raíces tanto comerciales como no comerciales. Los brotes en superficie que quedan en el campo como residuos de cultivo se excluyen del cálculo de retirada.
5. Realizar análisis estadísticos utilizando un Modelo Lineal de Efectos Mixtos (LMM) en R (por ejemplo, el paquete 'lme4') para tener en cuenta los dos factores (tratamiento × temporada) y las medidas repetidas a lo largo del tiempo (8 colecciones), definiendo 'Tratamiento' y 'Estación' como efectos fijos, y 'Gráfico' como efecto aleatorio.

Results

Características base del suelo y variaciones estacionales

La Tabla 1 presenta las propiedades fisicoquímicas de la capa superficial del suelo (0–20 cm) determinadas antes del trasplante tanto en la primavera como en la otoña. El análisis revela que las características fundamentales del suelo, incluyendo el pH (mantenido dentro de un rango ligeramente ácido de 6,38–6,42), el contenido de materia orgánica y la densidad a granel,...

Discussion

La implementación del protocolo de Fertilización de Precisión Escalonada (SPF) demuestra que la formación de alto rendimiento en sistemas de boniato de doble temporada depende en gran medida de la sincronización del suministro de nutrientes con la demanda fisiológica del^{cultivo 26,27}. Los resultados confirman que el ritmo de suministro es tan crítico como la dosis total. Utilizando el protocolo escalonado, mitigamos eficazmente e...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Tamiz analítico (0,25 mm)	Retsch	AS200	Estandarización del tamaño de partículas
Superfosfato de calcio	Sinofert Holding Co., Ltd. (China)	≥ 12% P2O5	Fuente de fósforo
Fertilizante compuesto (N– P2O5– K2O)	Sinofert Holding Co., Ltd. (China)	Formulación personalizada	Utilizado para fertilización de precisión escalonada
Sistema de bloques digestivos	Gerhardt	Kjeldatherm	Digestión ácida de material vegetal
Sistema de riego por goteo y fertigación	Netafim	Sistema agrícola estándar	Tratamiento opcional de fertigación
Horno de secado (aire forzado)	Memmert	UF110	Secado de muestras a 75 y guion; 105 y ºC; C
Balanza electrónica	Mettler Toledo	MS204S	Utilizado para pesaje preciso de fertilizantes
Fotómetro de llama	Sherwood Scientific	Modelo 420	Determinación del potasio
Analizador de nitrógeno Kjeldahl	Foss	Kjeltec 8400	Determinación del nitrógeno total
Bolsas de muestras de papel	Whatman	Grado 1	Secado y almacenamiento de muestras de plantas
Sulfato de potasio	Sinofert Holding Co., Ltd. (China)	≥ 50% K2O	Fuente de potasio para la etapa de volumen
Sinfín de suelo	Eijkelkamp	Sinfín Edelman	Muestreo de suelo (0– 20 cm de profundidad)
Herramientas de pala y manuales	Proveedor agrícola local	—	Muestreo destructivo de plantas enteras
Rectificadora de planta de acero inoxidable	Retsch	ZM200	Molienda muestras de plantas secas
Software de análisis estadístico	Fundación R	R versión 4.3.0	Ajuste de modelos logísticos y ANOVA
Material para plantar batata (Ipomoea batatas L.)	Proveedor local certificado de semillas	—	Cultivar uniforme utilizado para experimentos de campo de doble temporada
Urea (fertilizante de N)	Sinofert Holding Co., Ltd. (China)	≥ 46% N	Fuente de nitrógeno para aplicación dividida
UV– Espectrofotómetro de vis	Shimadzu	UV-1800	Análisis colorimétrico de fósforo