La provincia de Carchi al norte de Ecuador, se ubica en un valle interandino, el cual ha basado su desarrollo social y económico en la explotación de los recursos del suelo, caracterizados tradicionalmente por su alta productividad, debido a su origen volcánico. Sin embargo, la sostenibilidad del desarrollo agrícola en Carchi actualmente está en riesgo, debido a los procesos de degradación de sus suelos y los recursos hídricos. Resulta una necesidad inminente innovar en los sistemas agroproductivos para detener la degradación ambiental y mantener el crecimiento económico y el bienestar social de la región ¹.

El cultivo de papa (Solanum tuberosum L.) generalmente requiere altas cantidades de fertilizante fosfatado para lograr rendimientos económicamente aceptables, particularmente en suelos de cenizas volcánicas. Esto es consecuencia de la baja densidad de las raíces de sus plantas y la baja tasa de difusión del fósforo (P) en estos suelos ². El rendimiento y la calidad de la producción, son el resultado de la acción e interacción de factores genéticos (variedad o genotipo), el medio ambiente (clima, suelo y biota) y el conocimiento empírico tecnológico aplicado al proceso ³.

En Ecuador la papa ha sido un cultivo de alta prioridad, en el año 2018 se sembraron aproximadamente 66 000 ha de este cultivo. Las condiciones de producción intensiva y en monocultivo han contribuido a enfrentar muchos problemas que ponen en peligro el bienestar económico de los productores y la seguridad alimentaria del país. Este cultivo ocupa el séptimo lugar de producción a nivel nacional y se cultiva en 12 provincias, pero Carchi, Pichincha, Tungurahua, Chimborazo y Cotopaxi, representan el 89 % de la producción nacional, con las mayores productividades: 22,43 t ha^-1, 14,72 t ha^-1, 14,04 t ha^-1 y 13,80 t ha^-1, respectivamente ⁴. La provincia del Carchi, ocupó el primer lugar en producción del tubérculo a nivel nacional en el periodo 2012-2016, con un rendimiento aproximado de 19,7 tha^-1.

Los microorganismos solubilizadores de fósforo convierten los fosfatos insolubles en formas solubles, generalmente a través de procesos de acidificación, quelación y reacciones de intercambio, por lo que su uso como biofertilizantes puede no solo compensar el mayor costo de los fertilizantes, sino también movilizar aquellos agregados al suelo ⁵. Un biofertilizante es una sustancia que contiene organismos vivos que, aplicados a la semilla, a la planta o al suelo, colonizan la rizosfera o el interior de la planta y promueven el crecimiento a través de un mayor suministro o disponibilidad de nutrientes primarios para la planta huésped ⁶. Los hongos micorrízicos, por otra parte, mejoran la absorción de fósforo por parte de la planta y la fotosíntesis a través de la simbiosis HMA-raíz, principalmente debido al aumento en el transporte de elementos inorgánicos desde el suelo a las plantas ^7,8. Existen evidencias que demuestran que los hongos micorrízicos arbusculares (HMA) pueden transferir también el nitrógeno a su huésped y que la planta huésped con su suministro de carbono estimula este transporte, además de que, la membrana peri-arbuscular del huésped es capaz de facilitar la captación activa de nitrógeno de la interfaz micorrízica ⁹. En general, los estudios de inoculación con HMA han demostrado que es factible el incremento de los rendimientos y un mayor tamaño de los tubérculos en comparación con la fertilización química convencional ¹⁰. Igualmente, se ha demostrado que la aplicación combinada de biofertilizantes basados en HMA y BSF podría sustituir parcialmente el fertilizante químico en el sistema de cultivo de papa, gracias a la movilización de nutrientes en el suelo, en especial de fósforo, disponible para las plantas ¹¹.

Aunque estas alternativas de fertilización biológica han demostrado su efectividad en diferentes regiones y cultivos; en particular en la papa, en la región andina no se ha logrado que estas prácticas de biofertilización se incorporen a la dinámica productiva como nuevas alternativas amigables con el ambiente, para mejorar el rendimiento y la calidad de la producción, en parte por desconocimiento y también porque no existen bases científico-tecnológicas adecuadas para las condiciones edafoclimáticas de la región que puedan demostrar la efectividad de su empleo a los productores.

Teniendo en cuenta lo mencionado anteriormente, el objetivo de esta investigación fue evaluar alternativas de biofertilización con el empleo de bacterias solubilizadoras de fósforo y hongos micorrízicos arbusculares, a través de los productos comerciales Fosfotic® y Safer Micorrizas®, respectivamente, en el cultivo de la papa cv. Superchola, en suelos Andisoles del Carchi, Ecuador.

La investigación se realizó en áreas del Centro Experimental San Francisco, de la Universidad Politécnica Estatal del Carchi, un área con alta producción de papa y que se ubica en la Latitud N: 86º13`10``, Longitud W: 100º68`43.7``, a una altura de 2750 m s.n.m. Los suelos del área de estudio se clasifican como Andisoles ¹². El experimento en condiciones de producción se desarrolló desde noviembre del 2017 hasta julio del 2018, con seis tratamientos (Tabla 1). Se utilizó el cultivar de papa Superchola ¹³.

Se utilizó un área de 360 m² para la investigación, subdividida en seis parcelas de 60 m² cada una (5 m de ancho x 12 m de largo). Cada parcela se subdividió en cuatro partes iguales de 15 m² (5 m de largo x 3 m de ancho), constituyendo cuatro réplicas de cada tratamiento, para un total de 24 parcelas. La distancia de plantación fue de 1 m entre surcos y 0,50 m entre plantas, con un total de seis surcos por parcela. Las labores fitotécnicas se realizaron según el Manual Técnico del cultivo ¹³. No se realizó ningún riego al cultivo.

La fertilización química se realizó en dos etapas, según el Manual Técnico del cultivo ¹³. Los portadores empleados fueron Urea (46-0-0), Fosfato diamónico (18-46-0) y Muriato de Potasio (0-0-60). La primera aplicación fue en el retape a los 20 días después de la plantación (ddp), donde se incorporó el 50 % de la fertilización prevista para cada tratamiento y, posteriormente, en el deshierbe y aporque (60 ddp) se incorporó la cantidad restante, concluyendo con la alzada de suelo hacia las plantas (aporque) y tapado del fertilizante. Todas las labores se realizaron de forma manual y con azadón.

El producto Fosfotic® está compuesto por Azotobacter vinelandii, Bacillus cereus, Bacillus licheniformis y Pseudomonas fluorescens. Posee capacidad de solubilizar fósforo retenido en el suelo y convertirlo en fósforo disponible y asimilable para la planta ¹⁴.

El producto Safer-Micorrizas® es un biofertilizante a base de hongos micorrízicos arbusculares (HMA), el cual contiene raicillas colonizadas, micelio libre y esporas de HMA ¹⁴.

La inoculación con los biofertilizantes se realizó según recomendaciones del fabricante. En el caso del Fosfotic® fue aplicado en tres momentos: en la plantación, a los 20 y a los 90 ddp; en una dosis de 5 mL L^-1 de agua ¹⁴. Safer-Micorrizas® se aplicó solamente una vez, en la siembra, a una dosis de 10 g por cada tubérculo semilla ¹⁵.

La aplicación de bacterias solubilizadoras (Fosfotic®) y los hongos micorrízicos arbusculares (Safer Micorrizas®), en combinación con diferentes dosis de fertilizante fosfórico en el cultivo de la papa, provocó variaciones en el crecimiento de las plantas. El tratamiento donde se aplicó el 100 % de la fertilización con N y K y el 75 % de fósforo, en combinación con los dos biofertilizantes (T4) mostró los resultados superiores en la longitud del tallo y el número de tallos brotados (Tabla 2) seguido y sin diferencias estadísticas de aquel donde se utilizó 100 % de N y K+25 % P+Safer Micorrizas® (T6), aunque este último no se diferenció del tratamiento control (T1).

Los resultados positivos obtenidos en estos tratamientos (T4 y T6), pueden atribuirse entonces, al efecto beneficioso de los hongos micorrízicos arbusculares sobre la promoción del crecimiento de las plantas, según ha sido demostrado anteriormente ¹⁶. Estos hongos promueven el intercambio de nutrientes, particularmente la absorción de nutrientes de baja movilidad como el fósforo ¹⁷, lo cual justifica la sustitución de hasta el 75 % del fertilizante fosfórico en estas condiciones.

El empleo de Fosfotic® (T5) permitió sustituir el 50 % del fósforo, al no mostrar diferencias significativas con el control. Las bacterias solubilizadoras contenidas en el producto, además de poner este nutriente a disposición de las plantas, producen reguladores del crecimiento (auxinas y giberelinas), hormonas que juegan un papel importante en el crecimiento y la germinación de las yemas ¹⁸.

Aunque estos efectos beneficiosos han sido reconocidos e identificados, la efectividad de la inoculación con estos microorganismos, de manera individual o combinados, puede verse afectada por diversos factores, tales como el pH del suelo, P disponible, la aplicación de plaguicidas y la fertilización química que se emplea. Los niveles altos de fertilización nitrogenada y fosfórica, así como la residualidad de esta última, inhiben el establecimiento y el desarrollo de los HMA y de las bacterias solubilizadoras de fósforo ^19,20.

En el momento de la cosecha, el número de tubérculos por planta (Tabla 3) alcanzó los resultados superiores en el tratamiento control (T1), seguido por el tratamiento donde se redujo el 25 % del P y se aplicaron los dos biofertilizantes (T4), aunque este tratamiento no se diferenció del T3 ni del T6, tratamientos donde aplicaron las micorrizas. Los menores valores correspondieron al tratamiento donde se fertilizó con el 100 % NPK y se biofertilizó con Fosfotic® (T2).

Sin embargo, al clasificar los tubérculos totales, según el calibre, se observó que los mejores resultados se obtuvieron en los tratamientos donde se redujo el P al 75 % y se inocularon los dos productos (T4), y donde se redujo al 25 % el P, más la micorriza (T6), tratamientos que no se diferenciaron del control fertilizado en la calidad de calibre primera, pero lo superaron en la calidad de segunda.

La producción de tubérculos de calibre de tercera fue superior en el tratamiento control respecto al resto de los tratamientos y menor en el tratamiento donde se aplicó sólo el 25 % del P y la micorriza.

En resumen, la fertilización mineral completa (T1) permitió obtener un mayor número de tubérculos, pero el empleo de ambos biofertilizantes, con dosis de 75 % de P (T4) y del biofertilizante micorrízico con sólo el 25 % de este elemento (T6), permitió alcanzar valores similares de calibres de primera y superiores al control en calibres de segunda. El calibre de los tubérculos es un indicador importante para los productores ecuatorianos, ya que influye en la comercialización de la cosecha, específicamente en los precios de venta.

Se ha informado que el fósforo tiene un marcado efecto en la calidad de los tubérculos ², debido a su influencia en la división celular y, por ende, en el tamaño de los mismos. En contraste, la aplicación de altas dosis de fertilizante fosfórico puede tener un efecto contrario, produciendo un decrecimiento en el tamaño de los tubérculos. El beneficio de la fertilización fosfórica será mayor en condiciones de baja a media disponibilidad de este elemento en el suelo ²¹.

Otro aspecto importante a tener en cuenta es que, la mayor demanda de fósforo en la papa ocurre al inicio de la tuberización del cultivo. En este momento, el fósforo aplicado en las primeras semanas ha perdido entre el 30 y el 60 % de su asimilabilidad, dependiendo de la fuente usada y de los fenómenos de fijación del elemento ²². Por ello, el empleo de hongos micorrízicos, en combinación con niveles reducidos de aplicación del fósforo, puede ser una alternativa viable que permita disminuir las dosis del fertilizante químico, a la vez que mantienen la disponibilidad del elemento en el suelo, para el momento de mayor demanda por el cultivo ^7,8,10,23 y, por consiguiente, pueden contribuir positivamente en el rendimiento agrícola.

En relación con el rendimiento agrícola obtenido, se pudo apreciar que los mejores resultados se encontraron en los tratamientos donde se incluyó el biofertilizante a base de micorrizas (T3, T4 y T6), los que igualaron o superaron al control (T1) en el rendimiento total y de calibres de primera y segunda (Tabla 4).

Los resultados de la investigación demuestran que es posible disminuir la fertilización fosfórica del cultivo hasta un 25 % de la dosis total a aplicar con el empleo del biofertilizante Safer Micorrizas®, lo que evidencia un mejor funcionamiento micorrízico cuando los contenidos de fósforo aplicados son bajos ^19,23.

Debe destacarse que todos los tratamientos del estudio lograron rendimientos superiores a las 22,52 t ha^-1 informadas para el cultivo de la papa en Ecuador ²⁴ y que los tratamientos 4 y 6, tuvieron resultados satisfactorios en las condiciones de la región del Carchi, donde los rendimientos para este cultivar oscilan entre las 21,0 y 25,0 t ha^-1, con un promedio de 23 t ha ^{_{-1 (8,25)}} .

En general, los mayores rendimientos agrícolas por calibre se alcanzaron para la categoría de primera, donde vuelven a sobresalir los tratamientos T4 y T6.

Para el cultivo de la papa otras investigaciones han informado que la fertilización biológica influyó también en los rendimientos del cultivo, incrementando la disponibilidad de los fosfatos para las plantas y favoreciendo el desarrollo de estas, no solo con el incremento del número de tubérculos por planta, sino con la obtención de tubérculos con mayor calidad (calibres de primera y segunda) ^16,26,27.

Análisis económico

En todos los tratamientos impuestos en el experimento, se obtuvo beneficios económicos (Figura 1).

Figura 1

Análisis económico por hectárea de cada tratamiento utilizado en la investigación en el cultivo de la papa cv `Superchola´ sobre suelo Andisol en la provincia Carchi, Ecuador. Campaña 2017-2018

T1 (100% NPK), T2 (100 % NPK+Fosfotic®), T3 (100% NPK+Safer Micorrizas®), T4 (100% NK+75 % P+Fosfotic®+Safer Micorrizas®), T5 (100% NK+50 % P+Fosfotic®) y T6 (100% NK+25 % P+Safer Micorrizas®)

El análisis costo beneficio de la producción demuestra que todos los tratamientos generaron ingresos, destacándose los tratamientos T4 (100 % NK+75 % P+Fosfotic®+Safer Micorrizas®) y T6 (100 % NK+25 % P+Safer Micorrizas®) con el mayor beneficio económico, superando al tratamiento control (T1), que se identifica con la fertilización química que actualmente se aplica en la región Carchi. El incremento de estos tratamientos en la relación C/B fue de un 30 % y un 26 %, respectivamente, respecto al tratamiento control. Con beneficios tan similares, es recomendable emplear entonces sólo el biofertilizante micorrízico, que logra sustituir hasta el 75 % de la fertilización fosfórica.

El empleo del producto Safer Micorrizas® constituye una alternativa promisoria para la biofertilización de la papa en suelos Andisoles del Carchi, Ecuador. Su aplicación permite reducir el uso de fertilizante fosfórico hasta en un 75 %, sin afectar los rendimientos, contribuyendo así a una agricultura sostenible, a la vez que se logra mayor rentabilidad en la producción del cultivo de papa.

The research was carried out in areas of San Francisco Experimental Center, from Carchi State Polytechnic University, an area with high potato production and located at Latitude N: 86º13`10``, Longitude W: 100º68`43.7``, at a height of 2750 meters above sea level. The soils in the study area are classified as Andisols ¹². The experiment under production conditions was developed from November 2017 to July 2018, with six treatments (Table 1). The potato cultivar Superchola was used ¹³.

An area of 360 m² was used for the investigation, subdivided into six plots of 60 m² each (5 m wide x 12 m long). Each plot was subdivided into four equal parts of 15 m² (5 m long x 3 m wide), constituting four replicas of each treatment, for a total of 24 plots. The planting distance was 1 m between rows and 0.50 m between plants, with a total of six rows per plot. The phytotechnical work was carried out according to the Technical Manual of the crop ¹³. No irrigation was made to the crop.

Chemical fertilization was carried out in two stages, according to the Crop Technical Manual ¹³. The carriers used were Urea (46-0-0), Diammonium Phosphate (18-46-0) and Potassium Muriate (0-0-60). The first application was in the broom 20 days after planting (dap) where 50 % of the fertilization foreseen for each treatment was incorporated and later, in weeding and hilling (60 dap) the remaining quantity was incorporated, concluding with the raising of the soil towards the plants (hilling) and covering the fertilizer. All the tasks were carried out manually and with a hoe.

The Fosfotic® product is composed of Azotobacter vinelandii, Bacillus cereus, Bacillus licheniformis and Pseudomonas fluorescens. It has the ability to solubilize phosphorus retained in the soil and convert it into available and assimilable phosphorus for the plant ¹⁴.

The Safer-Micorrizas® product is a biofertilizer based on arbuscular mycorrhizal fungi (AMF), which contains colonized rootlets, free mycelium and AMF spores ¹⁴.

The inoculation with the biofertilizers was carried out according to the manufacturer's recommendations. In the case of Fosfotic® was applied in three moments: in the plantation, at 20 and 90 dap; in a dose of 5 ml L^-1 of water ¹⁴. Safer-Micorrizas® was applied only once, at sowing, at a dose of 10 g for each seed tuber ¹⁵.

The application of solubilizing bacteria (Fosfotic®) and/or arbuscular mycorrhizal fungi (Safer Micorrizas®), in combination with different doses of phosphoric fertilizer in potato crop, caused variations in plant growth. The treatment where 100 % of the fertilization with N and K and 75 % of phosphorus was applied. In combination with the two biofertilizers (T4) showed superior results in stem length and the number of sprouted stems (Table 2) followed and without statistical differences from the one where 100 % N and K+25 % P+Safer Micorrizas® (T6) was used, although the latter did not differ from the control treatment (T1).

The positive results obtained in these treatments (T4 and T6), can then be attributed to the beneficial effect of arbuscular mycorrhizal fungi on plant growth promotion, as has been previously demonstrated ¹⁶. These fungi promote nutrient exchange, particularly the absorption of low-mobility nutrients such as phosphorus ¹⁷, which justifies the substitution of up to 75 % of phosphoric fertilizer under these conditions.

The use of Fosfotic® (T5) allowed substituting 50 % of the phosphorus, as it did not show significant differences with the control. The solubilizing bacteria contained in the product, in addition to making this nutrient available to plants, produce growth regulators (auxins and gibberellins), hormones that play an important role in bud growth and germination ¹⁸.

Although these beneficial effects have been recognized and identified, the inoculation effectiveness with these microorganisms individually or in combination can be affected by various factors, such as soil pH, available P, pesticides application and the chemical fertilization used. High levels of nitrogen and phosphoric fertilization, as well as the residuality of the latter, inhibit the establishment and AMF development and phosphorus-solubilizing bacteria ^19,20.

At the time of harvest, the number of tubers per plant (Table 3) reached the highest results in the control treatment (T1), followed by the treatment where 25 % of the P was reduced and the two biofertilizers were applied (T4), although this treatment did not differ from T3 or T6, treatments where mycorrhizae were applied. The lowest values corresponded to the treatment where it was fertilized with 100% NPK and biofertilized with Fosfotic (T2).

However, when classifying the total tubers according to the size, it was observed that the best results were obtained in the treatments where the P was reduced to 75% and the two products were inoculated (T4), and where the P plus was reduced to 25 % mycorrhizae (T6), treatments that did not differ from the fertilized control in the quality of the first caliber, but exceeded it in the quality of the second.

The production of third caliber tubers was higher in the control treatment compared to the rest of the treatments, and lower in the treatment where only 25 % of the P and mycorrhiza were applied.

In summary, the complete mineral fertilization (T1) allowed to obtain a greater number of tubers, but the use of both biofertilizers, with doses of 75 % of P (T4) and of the mycorrhizal biofertilizer with only 25 % of this element (T6) , allowed achieving similar values of first calibers and superior to the control in second calibers. The tuber size is an important indicator for Ecuadorian producers, since it influences the harvest commercialization, specifically the sale prices.

Phosphorus has been reported to have a marked effect on tuber quality ², due to its influence on cell division and therefore on their size. In contrast, high dose application of phosphoric fertilizer can have the opposite effect, producing a decrease in tubers’ size. The phosphoric fertilization benefit will be greater under conditions of low to medium availability of this element in the soil ²¹.

Another important aspect to take into account is that the highest demand for phosphorus in potatoes occurs at the crop tuberization beginning. At this time, the phosphorus applied in the first weeks has lost between 30 and 60 % of its assimilability, depending on the source used and the element's fixation phenomena ⁽²²). Therefore, the use of mycorrhizal fungi, in combination with reduced levels of phosphorus application, can be a viable alternative that allows reducing the doses of chemical fertilizer, while maintaining the availability of the element in the soil, at the higher demand time for the crop ^7,8,10,23 and, therefore, can contribute positively to agricultural yield.

In relation to the agricultural yield obtained, it could be seen that the best results were found in the treatments where the mycorrhiza-based biofertilizer (T3, T4 and T6) was included, which equaled or exceeded the control (T1) in yield total and first and second calibers (Table 4).

The results of the research show that it is possible to reduce the phosphoric fertilization of the crop up to 25 % of the total dose to be applied with the use of the biofertilizer Safer Micorrizas®, which shows a better mycorrhizal functioning when the applied phosphorus contents are low ^19,23.

It should be noted that all the treatments in the study achieved yields higher than the 22.52 t ha^-1 reported for the potato crop in Ecuador ²⁴. Treatments 4 and 6 obtained satisfactory results in the conditions of Carchi region, where the yields for this cultivar oscillate between 21.0 and 25.0 t ha^-1, with an average of 23 t ha^{-1 _(8,25)} .

In general, the highest agricultural yields per size were reached for the first category, where treatments T4 and T6 once again stand out.

Other investigations have reported for potato crop that biological fertilization also influenced crop yields, increasing the availability of phosphates for plants and enhancing their development, not only with the increase in the number of tubers per plant, but rather with obtaining higher quality tubers (first and second calibers) ^16,26,27

Economic analysis

In all the treatments imposed in the experiment, economic benefits were obtained (Figure 1).

Figure 1

Economic analysis per hectare of each treatment used in the investigation in potato crop cv `Superchola´ on Andisol soil in Carchi province, Ecuador. Campaign 2017-2018

T1 (100% NPK), T2 (100 % NPK+Fosfotic®), T3 (100% NPK+Safer Micorrizas®), T4 (100% NK+75 % P+Fosfotic®+Safer Mcorrizas®), T5 (100% NK+50 % P+Fosfotic®) y T6 (100% NK+25 % P+Safer Micorrizas®)

The cost benefit analysis of production shows that all treatments generated income, highlighting treatments T4 (100 % NK+75 % P+Fosfotic®+Safer Micorrizas®) and T6 (100 % NK+25 % P+Safer Micorrizas®) with the greatest economic benefit, surpassing the control treatment (T1), which is identified with the chemical fertilization that is currently applied in the Carchi region. The increase of these treatments in the C/B ratio was 30 and 26 %, respectively, with respect to the control treatment. With such similar benefits, it is advisable to use only the mycorrhizal biofertilizer, which manages to replace up to 75 % of phosphoric fertilization.

The use of Safer Micorrizas® product constitutes a promising alternative for potato biofertilization in Andisol soils of Carchi, Ecuador. Its application allows reducing the use of phosphoric fertilizer by up to 75 %, without affecting yields, thus contributing to sustainable agriculture, while achieving greater profitability in the production of potato crops.