En la agricultura moderna se usan diferentes tipos de plásticos sintéticos para mejorar las
condiciones de cultivo y favorecer el desarrollo, la productividad y el manejo de las plantas.
Además, permiten incrementar la conservación y comercialización de productos frutihortícolas.
Particularmente, la técnica de mulching es una práctica agrícola que consiste en colocar una
protección/cobertura plástica sobre el suelo para mejorar el desarrollo de cultivos dado que
cambia el microclima y el balance energético del suelo. En tal sentido, deben controlarse
principalmente dos aspectos como la incidencia de la radiación solar y las condiciones del suelo
que influyen directamente sobre el crecimiento de los cultivos. El primer aspecto se regula
teniendo en cuenta que, la incidencia de la radiación solar depende del color del mulch. Asimismo,
el color influye sobre la estabilidad térmica de la película plástica. El segundo aspecto depende
principalmente del contenido de micro y macronutrientes en el suelo de modo tal que estén
disponibles para el crecimiento y desarrollo del cultivo y, de esta manera, alcanzar rendimientos
elevados. La deficiencia de estos nutrientes se debe a varios factores, siendo el principal la continua
remoción debido al cultivo intensivo, alcanzando, en algunos casos, concentraciones inferiores a
las requeridas para un crecimiento normal. Particularmente, los micronutrientes como hierro,
cobre, manganeso, etc. son los que están en pequeñas cantidades y se agotan más rápidamente. Por
esta razón, es de vital importancia incluirlos en los planes de fertilización de los cultivos que
comúnmente se utilizan para incorporar macronutrientes.
Estas problemáticas conducen a la necesidad de desarrollar materiales plásticos para mulching que
presenten un comportamiento activo, con un costo competitivo y conservando las propiedades
mecánicas de las películas plásticas que actualmente se usan para tal fin. En tal sentido, el objetivo
general de esta tesis es desarrollar películas plásticas para mulching que permitan la liberación
controlada de micronutrientes a partir de películas de polietileno/negro de humo. Para tal fin, se
planteó que, mediante una modificación superficial con partículas minerales con capacidad de
sorción, las películas plásticas podrían retener micronutrientes en superficie que posteriormente,
durante ciclos de riego-evaporación-condensación, puedan ser aportados al suelo. De esta manera,
el mulch activo proveerá micronutrientes en función de los requerimientos nutricionales
específicos de las plantas (actividad a medida) y contribuirá a mantener/incrementar la
concentración de estos elementos en el suelo aún en cultivos intensivos. Asimismo, estas películas
activas deberán conservar sus propiedades al ser expuestas a las condiciones ambientales severas
y ser durables durante el tiempo de cultivo para luego poder retirarlas y disponerlas en forma
sostenible, por ejemplo, reciclándolas. Para el desarrollo de este mulch activo se tuvieron en cuenta
aspectos económicos y sostenibles tanto en el diseño de la formulación como en las propiedades
finales de la película y el proceso de obtención propuesto. Inicialmente, se dimensionó el mercado
actual de agroplásticos a nivel nacional y global. Por otra parte, a partir de la interacción con
productores del sector agrícola, empresas fabricantes de mulch plástico e investigadores y
profesionales de agronomía se analizó el proceso de producción actual con sus ventajas y
desventajas, los costos, los sistemas de colocación y recolección de mulch plástico y las tendencias
actuales de uso. Asimismo, se identificó que, una de las problemáticas asociada al uso del mulch, es
la deficiencia de micronutrientes en el suelo luego de la postcosecha como consecuencia del cultivo
intensivo.
Para desarrollar el mulch activo se propone una metodología que incluye dos etapas. Inicialmente,
se llevará a cabo una modificación superficial de películas plásticas incluyendo partículas
minerales con capacidad de sorción. Posteriormente, los micronutrientes se incorporarán sobre las
películas modificadas superficialmente mediante atomizado de soluciones de sales solubles para
obtener las películas activas. El sistema de modificación superficial a emplearse es factible de ser
escalado, pudiendo adaptarse a sistemas continuos de producción de películas plásticas o ser
aplicado en línea en el procesamiento industrial convencional.
En el marco de esta tesis doctoral se prepararon películas con y sin la inclusión de micronutrientes.
Estas películas se caracterizaron morfológica, fisicoquímica, térmica y mecánicamente con
múltiples técnicas analíticas complementarias. Además, se estudió la capacidad de liberación de
micronutrientes y el comportamiento de degradación de las películas por exposición directa a la
intemperie y por envejecimiento acelerado según norma. Para ello, películas de polietileno/negro
de humo fueron modificadas superficialmente con distintas partículas minerales: talco, zeolita y
carbonato de calcio. Se utilizó un tipo de partícula para cada película modificada. Como
micronutrientes se usaron hierro, cobre y manganeso que son fundamentales para el crecimiento
de lechuga, cultivo utilizado como testigo debido a su rápido crecimiento y mostrar síntomas
visibles frente a la deficiencia de los micronutrientes.
Se verificó que las partículas minerales se adhirieron correctamente a la superficie de las películas
y que los micronutrientes se sorbieron sobre las tres partículas. Asimismo, se probó que los
micronutrientes se liberan en forma controlada con distintos experimentos que dan conclusiones
complementarias. En todos los casos, las películas presentan propiedades mecánicas adecuadas
para la colocación manual y automática del mulch en campo. Además, sus propiedades térmicas les
permiten soportar las temperaturas a las que estará expuesto el mulch. Por otra parte, se demostró
que resisten el envejecimiento acelerado y la exposición directa a la intemperie durante al menos
6 meses, tiempo de cultivo promedio para la mayoría de los productos frutihortícolas.
Para demostrar la eficacia del sistema propuesto como mulch activo, se llevó a cabo un estudio de
campo durante 50 días, utilizando cultivo de lechuga y películas modificadas con talco porque, a
nivel laboratorio, tienen el mejor comportamiento de retención/liberación de micronutrientes. Se
tomaron muestras de hojas, raíces y sustrato para determinar parámetros tales como peso fresco
y seco de hojas y raíces, área foliar, número de hojas desplegadas, tasa de crecimiento de cultivo,
índice de clorofila y concentración de nutrientes en hoja y sustrato. Estos parámetros permiten
evaluar el efecto del sistema propuesto sobre el crecimiento de las plantas y sobre la retención de
micronutrientes en el suelo. En todos los casos se realizó un análisis comparativo con un sistema
testigo que comprende el uso de mulch comercial con una fertilización conteniendo
macronutrientes, nutrientes secundarios y micronutrientes.
Los resultados de este estudio son muy promisorios dado que se observó que las plantas donde el
sustrato se cubrió con las películas activas presentaron un muy buen desarrollo, sin señales de
deficiencia de micronutrientes. Se evidenció también que los micronutrientes retenidos en la
superficie de las películas activas pueden liberarse y migrar hacia el suelo de manera tal que el
cultivo pueda absorberlos y desarrollarse adecuadamente. Asimismo, se consiguió conservar y/o
aumentar el contenido de micronutrientes en el suelo, que era uno de los objetivos prioritarios del
desarrollo dado que lo habilita para el cultivo intensivo, paliando el problema de remoción de
micronutrientes en suelo. / In modern agriculture, different kinds of synthetic plastics are used to improve growing conditions
and favor the development, productivity and management of plants. In addition, they allow an
increase in the conservation and commercialization of fruit and vegetable products. The mulching
technique is an agricultural practice that consists of placing a protection/plastic cover on the soil
to improve the development of crops since it changes the microclimate and the energy balance of
the soil. In this sense, two aspects such as the incidence of solar radiation and soil conditions that
directly influence crop growth must be controlled. The first aspect is regulated considering that the
incidence of solar radiation depends on the color of the mulch. Likewise, the color influences the
thermal stability of the plastic film. The second aspect depends mainly on the content of micro and
macronutrients in the soil. They should be available for the growth and development of the crop
and, thus, achieve high yields. The deficiency of these nutrients is due to several factors, being the
main one, their continuous removal. It is caused by intensive farming reaching, in some cases,
concentrations lower than those required for normal plant growth. This problem is more
remarkable with micronutrients such as iron, copper and manganese that are in small quantities
and run out more quickly. For this reason, it is of vital importance to include them in fertilization
plans that are commonly used to incorporate macronutrients.
These problems lead to the need to develop plastic materials for mulching that present an active
behavior, with a competitive cost and conserving the mechanical properties of the plastic films that
are currently used for this application. In this sense, the general objective of this thesis is to develop
plastic films for mulching that allow controlled release of micronutrients from
polyethylene/carbon black films. To this end, it was suggested that, through a superficial
modification with mineral particles with sorption capacity, plastic films could retain
micronutrients on the surface that later, during irrigation-evaporation-condensation cycles, could
be released to the soil. In this way, the active mulch will provide micronutrients based on the
specific nutritional requirements of the plants (tailored activity) and will contribute to
maintain/increase the concentration of these elements in the soil even in intensive farming.
Likewise, these active films should retain their properties when exposed to environmental
conditions and be durable during cultivation time so that they can be sustainably removed and
disposed, for example, by recycling them. For the development of this active mulch, economic and
sustainable aspects were considered both in the formulation design and film final properties, and
the proposed production process. Initially, the current agro-plastics market was seized at a
national and global level. Moreover, from the interaction with producers of the agricultural sector,
companies that manufacture plastic mulch and agronomy professionals, the mulching system was
analyzed with its advantages and disadvantages, costs, plastic mulch placement and collection
systems and current usage trends. Likewise, it was identified that one of the main problems
associated with the use of mulch is the micronutrients deficiency in soil after post-harvest because
of intensive farming.
A two stages methodology is proposed to develop the active mulch. Initially, surface modification
of plastic films will be carried out using mineral particles with sorption capacity. Subsequently, the
micronutrients will be incorporated on the superficially modified films by spraying soluble salt
solutions to obtain the active films. The surface modification system should be feasible to be scaled,
being able to adapt to continuous plastic film production systems or to be applied online in
conventional industrial processing.
Within the framework of this doctoral thesis, films were prepared with and without the inclusion
of micronutrients. These films were subjected to morphological, physicochemical, thermal and
mechanical characterization through multiple complementary analytical techniques. In addition,
the ability to release micronutrients and the degradation behavior of the films under direct
exposure to the environment and accelerated aging were studied. For this purpose,
polyethylene/carbon black films were surface modified with different mineral particles such as
talc, zeolite and calcium carbonate. One type of particle was used for each modified film. Iron,
copper and manganese were used as micronutrients, since they are essential for the growth of
lettuce, crop used as a control plant due to its rapid growth and for showing visible symptoms of
micronutrient deficiency.
It is verified that mineral particles are correctly adhered to the film surface and micronutrients
were sorbed on the particles. Likewise, it was proven that the micronutrients are released in a
controlled way. In all cases, films have adequate mechanical properties for the manual and
automatic placement of mulch in the field. In addition, their thermal properties allow them to
withstand the temperatures to which mulch will be exposed. On the other hand, it was shown that
they resist accelerated aging and direct exposure to the environment for at least 6 months, which
is the average cultivation time for most fruit and vegetable products.
To demonstrate the effectiveness of the proposed system as active mulch, a field study was carried
out for 50 days, using lettuce crops and talc-modified films since they have the best micronutrient
retention/release behavior. Leaf, root and substrate samples were used to determine parameters
such as fresh and dry weight of leaves and roots, leaf area, number of unfolded leaves, crop growth
rate, chlorophyll index and concentration of nutrients in leaf and substrate. These parameters
allow the evaluation of the effect of the proposed system on plant growth and on the retention of
micronutrients in soil. In all cases, a comparative analysis was carried out with respect to a control
system that includes the use of commercial mulch with a fertilization containing macronutrients,
secondary nutrients and micronutrients.
The results of this study are very promising since plants grown with the active films presented a
very good development without signs of micronutrient deficiency. It was also evidenced that the
micronutrients retained on the active film surface can be released and migrate to the soil being
available for proper crop development. Likewise, it was possible to preserve and/or increase the
micronutrient content in the soil, which is one of the main objectives of this thesis since it enables
minimizing the problem of soil micronutrient removal due to intensive farming.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uns.edu.ar/oai:repositorio.bc.uns.edu.ar:123456789/6396 |
| Date | 17 March 2023 |
| Creators | Linares, Paula Belen |
| Contributors | Barbosa, Silvia Elena, Castillo, Luciana |
| Publisher | Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingeniería Química |
| Source Sets | Universidad Nacional del Sur |
| Language | Spanish |
| Detected Language | Spanish |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
| Format | application/pdf |
| Rights | 2 |
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