Con los crecientes efectos del cambio climático y otras presiones como la sequía y la escasez de fertilizantes, esta pregunta nunca ha sido más importante en el campo de la agricultura: ¿Cómo mejorar la estructura y la función del suelo?
La función principal en la que nos centraremos es que el suelo es un medio que las plantas necesitan para crecer, donde sus raíces se desarrollan y absorben nutrientes y agua. El suelo también tiene otras funciones como:
La estructura del suelo se refiere a la forma, el tamaño y la disposición especial de las partículas individuales del suelo y los grupos de partículas o agregados.
Uno de los problemas más importantes de la estructura del suelo a los que se enfrentan los productores de todo el mundo es la compactación del suelo y la baja infiltración del agua. La compactación es un factor que depende del tipo de suelo, del grado de tránsito de la maquinaria agrícola, del tiempo que se ha utilizado para la agricultura y de otros factores que disminuyen la estructura natural y saludable del suelo que los cultivos necesitan para crecer y que el agua utiliza para movilizarse. La compactación impide que el agua de riego fluya eficazmente por la zona radicular, lo que puede constituir un factor de estrés para los cultivos.
Una menor disponibilidad de agua en la zona radicular también significa que la movilidad de los nutrientes se ve afectada, lo que tiene una correlación directa con el crecimiento y el rendimiento de los cultivos.
La alta salinidad, especialmente en las regiones de los deltas de los ríos, donde los suelos arcillosos son habituales, es un reto al que también se enfrentan muchos productores. La acumulación de sodio y otras sales del suelo reduce el movimiento del agua y los nutrientes entre las células de la planta y el suelo, así como el movimiento del agua dentro de la planta. Esta falta de movilidad del agua y de los nutrientes provoca la pérdida de cultivos y la disminución del rendimiento. Los suelos con alta concentración de sal también pueden afectar negativamente a la sanidad de los cultivos, ya que retienen nutrientes como el nitrógeno y reducen la capacidad de las plantas para absorberlos. Esto disminuye el crecimiento de las plantas e impide su reproducción.
A medida que avanza el cambio climático, los periodos prolongados de sequía más severa también son cada vez más habituales. Cuando los suelos sufren una sequía la 'mojabilidad' (la capacidad del agua para mantener el contacto con el suelo) disminuye y, sin una intervención directa, la infiltración de agua en los suelos afectados por la sequía seguirá siendo muy baja.
Los productores también luchan constantemente con bajos niveles de nutrientes del suelodebido a la disminución de los niveles de materia orgánica y otros factores. Sin los nutrientes adecuados en el suelo, las comunidades microbianas no prosperan como deberían, y los productores deben gastar más en fertilizantes.
Los productores en invernaderos, campos y huertos de todo el mundo han instalado generadores de nanoburbujas para mejorar las propiedades de su agua de riego, con los consiguientes efectos positivos en la estructura y función del suelo.
Las nanoburbujas miden entre 70 y 120 nanómetros de diámetro, aproximadamente son 2500 veces más pequeñas que un grano de sal. Gracias a su flotabilidad neutra, se mueven de forma aleatoria y continua por el agua en todos los puntos de un sistema de riego mediante un movimiento browniano. El agua enriquecida con nanoburbujas está superoxigenada, tiene una tensión superficial significativamente reducida en comparación con el agua no tratada y posee otros atributos químicos y físicos únicos, como la movilidad iónica.
Las nanoburbujas aumentan la floculación del suelo, lo que mejora la estructura de este al reunir las partículas individuales de arcilla en agregados más grandes. Gracias a estas propiedades, cuando se aplica agua tratada con nanoburbujas a suelos compactados, se reduce la compactación. En el centro de investigación Kapicua, un productor de arándanos en Chile realizó ensayos con agua de riego tratada con nanoburbujas desde julio de 2020 hasta abril de 2021, para lo que se instaló un generador Moleaer en el tanque principal de almacenamiento de agua.
En general, Kapicua observó una reducción del 20 % en la compactación del suelo en comparación con la zona no tratada. La infiltración de agua fue proporcionalmente mayor, al igual que las tasas de desarrollo de las raíces y el crecimiento de nuevos brotes. También se observó una mejora en el tamaño y calidad de los frutos, así como en la velocidad de maduración.
La infiltración del agua también ha aumentado considerablemente en los huertos de Maricopa, en California, debido al uso de agua de riego tratada con nanoburbujas. Como se describe en el artículo de un caso de estudio reciente, Maricopa se enfrentó a muchos retos, como la sequía, los suelos arcillosos y la alta salinidad. Después de aplicar el agua tratada con nanoburbujas, el agua pudo infiltrarse hasta una profundidad sin precedentes de 18 centímetros. Por tanto, la eficiencia en el uso del agua de riego aumentó, el rendimiento de los árboles mejoró y el importante problema de la salinidad del suelo se resolvió de forma permanente, ya que las sales se transportan ahora mucho más allá de la zona radicular.
Como se ha indicado, las nanoburbujas aumentan la infiltración del agua en el suelo porque disminuyen la tensión superficial del agua. Es decir, el agua con una tensión superficial reducida entra y se desplaza por el suelo a una velocidad mucho mayor que la que tiene una tensión superficial alta. Como se muestra a continuación, en la superficie de un suelo, el agua con una tensión superficial reducida tiene un «ángulo de contacto» menor, una característica que se traduce en una mejor penetración y distribución del agua en los suelos afectados por la sequía y los hidrofóbicos.
También se ha descubierto que el uso de agua tratada con nanoburbujas es una forma potencialmente eficaz de mejorar la aireación del suelo . Los científicos que realizaron el estudio concluyeron que la aireación del suelo mejoraba con la aplicación de agua de riego tratada con nanoburbujas, especialmente en suelos arcillosos que habían quedado degradados por la aplicación prolongada de aguas residuales tratadas.
Al mejorar la aireación, el agua de riego tratada con nanoburbujas también increases soil actividad microbiana y la disponibilidad de nutrientes del suelo. Un mayor nivel de oxígeno en el suelo aumenta la actividad de los microbios beneficiosos, así como las tasas de mineralización y la conversión de nutrientes del suelo. Por ejemplo, los autores de un nuevo estudio realizado en 2022 descubrieron que las funciones bacterianas de oxidación del metanol, la fijación del nitrógeno, la quimioheterotrofia aeróbica (consumo de otros organismos) y las celulólisis (p. ej., la conversión catalítica del almidón en glucosa o la formación de ácidos o bases a partir de iones disueltos) eran más abundantes en los suelos que reciben agua tratada con nanoburbujas. Esto se tradujo en un mayor rendimiento de los cultivos, una mayor eficiencia en el uso del agua y una mayor fertilidad del suelo.
Además, como las nanoburbujas aumentan considerablemente los niveles de oxígeno disuelto (OD) en el agua de riego (hasta unas 20 p. p. m.) y su potencial de oxidación-reducción (ORP, una medida de la capacidad de oxidación del agua para descomponer los contaminantes), promueven el crecimiento de microbios beneficiosos como las micorrizas y suprimen el crecimiento de patógenos anaerobios como Pythium y Phytophthora.
Las nanoburbujas también controlan las algas y los patógenos que suelen existir en los sistemas de riego directamente de dos maneras:
Además, la súper oxigenación del agua tratada con nanoburbujas garantiza un funcionamiento óptimo de las raíces. Es decir, si las células de las raíces reciben niveles muy altos de oxígeno en el agua que absorben, son capaces de producir enormes cantidades de energía celular (ATP) a través de su proceso de respiración. Esto hace que se produzcan altas tasas de absorción de agua y nutrientes, lo que genera el correspondiente aumento de la tasa de crecimiento general y rendimiento del cultivo.
Un estudio reciente sobre cultivos de arroz descubrió que el suministro de agua tratada con nanoburbujas «aumentó los genes de absorción de nutrientes OsBT, PiT-1 y SKOR de las plantas, lo que resultó en una mayor absorción y utilización de nutrientes por las raíces». También se comprobó que el agua tratada con nanoburbujas estimula la síntesis de la hormona del crecimiento, giberelina. Este equipo de científicos concluyó que el uso de nanoburbujas «mejora significativamente la altura de las plantas y la longitud de las raíces».
En otro estudio reciente (de producción de tomates y pepinos en el suelo en invernaderos), los científicos descubrieron que el agua tratada con nanoburbujas aumentó significativamente el rendimiento de los cultivos, la eficiencia en el uso del agua, los niveles de vitamina C y el contenido de azúcares solubles, debido principalmente al mayor (y constante) contenido de oxígeno del suelo que proporciona.
Las nanoburbujas también mejoran la movilidad iónica, lo que aumenta la disponibilidad de nutrientes. La carga eléctrica negativa de las nanoburbujas aumenta la dispersión de los iones nutrientes en el agua, lo que permite una distribución más homogénea y una mayor captación por parte de las raíces.
La tecnología de las nanoburbujas representa un método sencillo, natural, rentable y probado para mejorar la estructura del suelo mediante la reducción de la compactación, aumentando en gran medida la infiltración del agua de riego y ofreciendo una solución rápida y permanente a la salinidad del suelo. Debido a su superoxigenación y a las propiedades químicas y físicas únicas de las nanoburbujas, el agua tratada también mejora la sanidad del suelo, la disponibilidad de nutrientes para los cultivos y la eficacia de la absorción de nutrientes por las células de la raíz.