Tecnologia Aplicada en Invernaderos

INCORPORACIÓN DE TECNOLOGÍA AL INVERNADERO MEDITERRÁNEO

Estación Experimental "Las Palmerillas" de Cajamar

© Autores: J.C. López, P. Lorenzo, N. Castilla, J. Pérez-Parra, J.I. Montero, E. Baeza, A. Antón, M.D. Fernández, A. Baille, M. González-Real.

Reservados todos los derechos Edita: CAJAMAR Plaza de Barcelona, 5 04006 ALMERÍA http://www.cajamar.es I.S.B.N.:84-95531-07-0 Depósito legal: AL - 319 - 2001 Imprime: Escobar Impresores, S.L. - El Ejido (Almería).

ÍNDICE

ÍNDICE ............................................................................................................... 5 ÍNDICE DE AUTORES ..................................................................................... 7 PRESENTACIÓN ............................................................................................... 9 SISTEMAS DE CALEFACCIÓN .................................................................... 11 Juan Carlos López Hernández Estación Experimental ‘Las Palmerillas’ de Cajamar ENRIQUECIMIENTO CARBÓNICO ............................................................ 23 Pilar Lorenzo Centro de Investigación y Formación Agraria (CIFA) de Almería LA RADIACIÓN SOLAR EN INVERNADERO EN LA COSTA MEDITERRÁNEA ESPAÑOLA..................................................................... 35 Nicolás Castilla Centro de Investigación y Formación Agraria (CIFA) de Granada VENTILACIÓN Y REFRIGERACIÓN DE INVERNADEROS .................. 49 J. Pérez-Parra1, J.I. Montero2, E. Baeza1, A. Antón2 1 Estación Experimental ‘Las Palmerillas’ de Cajamar 2 Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentàries (IRTA) MÉTODOS DE PROGRAMACIÓN DEL RIEGO ........................................ 59 Mª Dolores Fernández Fernández Estación Experimental ‘Las Palmerillas’ de Cajamar UTILIZACIÓN DE MODELOS PARA EL CONTROL Y LA AYUDA A LA DECISIÓN EN INVERNADEROS. SITUACIÓN ACTUAL Y PERSPECTIVAS ........................................................................................................ 71 Alain Baille, María Gonzalez-Real Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica Universidad Politécnica de Cartagena

Breve reseña histórica de la Estación Experimental de CAJAMAR ‘Las Palmerillas’ .......................................................................................... 91

LISTA DE AUTORES

J.C. LÓPEZ Estación Experimental Las Palmerillas de Cajamar Autovía del Mediterráneo, Km 419 04710 El Ejido (Almería) P. LORENZO Centro de Investigación y Formación Agraria (C.I.F.A.) de Almería Apdo. 91 04700 El Ejido (Almería) N. CASTILLA Centro de Investigación y Formación Agraria (C.I.F.A.) de Granada Camino de Purchil s/n Apdo. 2027 18080 Granada J. PÉREZ-PARRA Estación Experimental Las Palmerillas de Cajamar Autovía del Mediterráneo, Km 419 04710 El Ejido (Almería) J.I. MONTERO Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentàries (IRTA) Camino de Cabrils s/n 08348 Cabrils (Barcelona) E. BAEZA Estación Experimental Las Palmerillas de Cajamar Autovía del Mediterráneo, Km 419 04710 El Ejido (Almería)

A. ANTÓN Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentàries (IRTA) Camino de Cabrils s/n 08348 Cabrils (Barcelona) M.D. FERNÁNDEZ Estación Experimental Las Palmerillas de Cajamar Autovía del Mediterráneo, Km 419 04710 El Ejido (Almería) A. BAILLE Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica Universidad Politécnica de Cartagena 30202 Cartagena (Murcia) M. GONZÁLEZ-REAL Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica Universidad Politécnica de Cartagena 30202 Cartagena (Murcia)

PRESENTACIÓN 25 ANIVERSARIO DE LA ESTACIÓN EXPERIMENTAL DE CAJAMAR ‘LAS PALMERILLAS’

El proyecto de Caja Rural surgió de una necesidad sentida por el campo almeriense, para dar cobertura financiera a nuestras cooperativas y agricultores, que de otra forma carecían de un sistema financiero específico, a ejemplo del Credit Agricole en Francia. Pero esto no era bastante, y sin ningún antecedente, nació el proyecto de las fincas y estaciones experimentales, como idea propia, pionera en Almería y tal vez en Andalucía. Había que aprender y poner en práctica nuevas técnicas. La buena noticia para el campo almeriense fue que alguien se planteó esta necesidad, con el deseo de querer devolver al agricultor parte de lo que éste había dado a la Caja, con su vinculación y colaboración. Se pensó en esta fórmula y así creamos hasta cuatro fincas que luego se concentraron en una sola: La Estación Experimental de Cajamar, sita en el Paraje de Las Palmerillas, que hoy es un referente en el campo de la experimentación, como lo demuestra el alto número de empresas, técnicos y agricultores, que de todos los países del mundo vienen a diario a visitarnos y a conocer nuestras experiencias. En el año 1974, la Caja Rural acababa de pasar una reválida importante con su actuación ante la catástrofe que sufrió Almería con las inundaciones de octubre de 1973. Fue entonces cuando el Consejo Rector, dentro del espíritu de servicio que presidía las actuaciones de nuestra Entidad, orientó todo su esfuerzo a cooperar con el campo almeriense, ayudando a los agricultores a superar sus problemas económicos en unos momentos históricos, en los que a pesar de todo, había que apostar por el futuro que se vislumbraba. El agricultor ni podía entonces ni puede hoy equivocarse, al realizar sus inversiones y cultivos. Necesitaba experiencias contrastadas, tanto en sentido positivo como en negativo, y si alguien debía equivocarse esa tenía que ser la Caja, éste era nuestro objetivo. El agricultor, para obtener lo que necesitaba, tenía que contar con los apoyos necesarios, disponiendo de técnicas y herramientas de producción experimentadas y fiables. En definitiva, esta Finca Experimental, abrió una nueva puerta como después se abrieron otras con los demás centros que fueron creados por la propia Administración y otras entidades. Ya nadie duda de la clara relación existente entre las sociedades tecnológicas socialmente más avanzadas y su dedicación de recursos a la experimentación e investigación (hoy se llama I + D). Este esfuerzo es un elemento clave para el desarrollo de los distintos sectores productivos y la agricultura no es ajena a ello, procurando una oferta amplia y constante de soluciones adecuadas para proble-

mas específicos, que les permitan mantener su competitividad y contribuir en definitiva al avance social. Hemos visto como, en el sector agrario, la competitividad de los sistemas de producción deriva de su capacidad para incorporar innovaciones tecnológicas. La investigación y el desarrollo experimental, la difusión de conocimientos y los servicios de asesoramiento técnicos, son claves para lograr una interpretación rápida de innovaciones que permitan ofrecer al mercado productos de alta calidad mediante técnicas compatibles con el medio ambiente y saludables para los productores y los consumidores. Almería ha sido y es una tierra para la producción de frutas, hortalizas y flores. Pero además de ser también un lugar privilegiado para el desarrollo de empresas tecnológicas si apoyamos decididamente la investigación. Se ha recorrido una parte del camino, la más difícil, porque hubo que hacerlo, ahora el camino es más ancho, hay nuevas oportunidades y es necesario avanzar tecnológicamente para consolidar, a través de la calidad, nuestros productos y desarrollar un tejido industrial competitivo en un mundo cada vez más interrelacionado y próximo. Por nuestra parte, tenemos que aceptar como cierto que en el futuro las ideas habrán de ser nuevas. Con este espíritu crítico y revisor debemos afrontar los retos que se nos vayan planteando, porque nuestra agricultura ha vivido y vive tiempos de creatividad, tiempos en los que avanzar sólo es posible cambiando, para mejorar. Siempre invirtiendo más, por eso es tan necesario tanto el instrumento financiero Caja, como el experimental. Después de estos 25 años, nuestros agricultores están más cualificados, cuentan con la inestimable ayuda de un cuantioso número de técnicos cuya contribución a los éxitos habidos y por haber, ha sido, es y será decisiva. La incorporación en estos años a la tarea de investigación y desarrollo experimental de la Universidad, CIFA, CSIC, FIAPA, y los esfuerzos de otras entidades y empresas, no sustituye a nuestro modesto esfuerzo, sino que complementa, dibujando, desde la colaboración, un halagüeño porvenir para el mantenimiento de la competitividad del sector agrario almeriense, porque no debemos olvidar que sólo compiten los que se estimulan. Por ello, animo a todos los técnicos, como referente imprescindible en este proceso evolutivo, a ejercer este convencimiento con profesionalidad, con permanentes planteamientos de reforma y de adaptación a una realidad que día a día cambia, y sin duda para mejor. No en vano los países que lo han hecho ocupan hoy los primeros puesto de prosperidad. Sirva la celebración de este 25 aniversario, para expresar la renovación del compromiso adquirido en su día por la Caja Rural de Almería, - hoy de mayor ámbito -, con la agricultura almeriense, mostrando nuestro reconocimiento a todo el sector agrario, agricultores, técnicos e investigadores, y a los autores que participan en este libro. Juan del Águila Molina Presidente de Cajamar

SISTEMAS DE CALEFACCIÓN Juan Carlos López Hernández Estación Experimental ‘Las Palmerillas’ de Cajamar

Sistemas de calefacción

1- INTRODUCCIÓN Las condiciones de crecimiento dentro de invernadero no solamente tienen que ser entendidas de una forma cualitativa, sino además de manera cuantitativa para determinar su impacto sobre la producción. En este sentido el clima del invernadero puede ser cuantificado en relación a las condiciones externas y a las propiedades físicas del invernadero y su equipamiento (Bot y Van De Braak, 1995). El crecimiento y desarrollo de los cultivos, está influenciado por el clima, donde los procesos de fotosíntesis, respiración, división celular, expansión celular, toma de nutrientes y agua, se ven modificados, principalmente por la temperatura, déficit de presión de vapor, luz y CO2 . El metabolismo de las plantas y la tasa de las reacciones metabólicas se ven afectados por la temperatura, llegando a duplicarse la tasa de crecimiento para muchos cultivos expuestos a frío, al incrementar la temperatura 10º C (Day y Bailey, 1998). Tanto temperaturas extremas bajas como altas, afectan al buen desarrollo de los cultivos (Hanan et al., 1988), produciendo la desnaturalización de enzimas y otras proteínas. Cuando la temperatura desciende por debajo de 10–12 ºC, las especies termófilas (entre las que podemos considerar la mayoría de las hortalizas que se cultivan bajo protección en el litoral mediterráneo) presentan las siguientes alteraciones (Lorenzo, 2000): • Reducción del crecimiento. • Disminución de la tasa de asimilación neta. • Depresión de la respiración. • Reducción del transporte y distribución de asimilados. • Disminución de la absorción de agua y sales. • Cambios anatómicos y morfológicos. • Pérdida de fertilidad. • Envejecimiento precoz del tejido fotosintético por necrosis celular. Los niveles de temperatura que maximizan la producción se sitúan entre 1620º C para el período nocturno y 22-30 º C para el diurno. Sin embargo, normalmente divergen del óptimo económico debido a los elevados consumos de energía que ellos suponen, haciéndose necesario gestionar el aporte de calor

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J. C. López

mediante estrategias de clima, formación cultural de la planta y mercados de comercialización. Las estrategias de clima habitualmente implican: utilizar pantallas de ahorro de energía, condicionar el nivel térmico a las distintas fases fisiológicas del cultivo, período diurno-nocturno, saltos térmicos, etc. La dependencia mostrada por la respuesta fisiológica de muchos cultivos hacia la acumulación de grados-día (integral térmica) permite programarlos en cuanto a fechas de recolección y producción. Un mayor control de la temperatura del invernadero va a determinar, además de un aumento de la producción, un aumento de la calidad del fruto.

2- NECESIDADES ENERGÉTICAS El aporte de calor necesario para mantener una temperatura de consigna dentro del invernadero depende básicamente de: - material de cubierta - sistema de calor - condiciones externas: Tª, viento, etc. De forma simplificada, podemos determinar las necesidades energéticas a partir del coeficiente global de transmisión de calor ‘U’, que es característico de cada tipo de material de cubierta:

Material de cubierta Cristal Doble cristal Doble policarbonato Polietileno Doble polietileno

U (W m-2 K -1) 6,0-8,8 4,2-5,2 4,8 6,0-7,8 4,2-5,5

Así, la energía necesaria Q ( w ) para mantener un salto térmico es:

Q = A U (Ti - To)

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A superficie desarrollada del invernadero U coeficiente global de transmisión de calor Ti temperatura del invernadero To temperatura exterior 3- SISTEMAS DE CALEFACCIÓN Según utilicen una o varias de las formas en las que el calor se puede transferir (convección, conducción y radiación), podemos clasificar los sistemas como:

-Sistemas de calefacción por convección: Son sistemas en los que el elemento conductor del calor es el aire. Debido a su poca inercia, proporcionan un aumento rápido de la temperatura del aire, enfriándose de igual forma al dejar de actuar. Generan importantes gradientes térmicos y pérdidas de calor al ir localizados, normalmente, sobre el cultivo. Entre los sistemas convectivos: aerotermos, generadores de aire caliente de combustión indirecta y generadores de aire caliente de combustión directa; los dos últimos son los más utilizados: - Generadores de aire caliente de combustión indirecta: mediante un cam biador de calor, se separan los gases de combustión expulsándolos al exterior, introduciendo únicamente aire caliente al invernadero. Dado que parte del calor es expulsado con los gases de combustión, el rendimiento de estas máquinas suele estar entre el 80% 90%.

Distribución del calor mediante mangas perforadas de polietileno para un sistema de combustión indirecto.

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J. C. López

- Generadores de aire caliente de combustión directa: tanto el aire caliente como los gases de combustión son incorporados al invernadero. El combustible a utilizar debe de contener el menor número de elementos tóxicos, siendo el propano y el gas natural los más recomendados.

Sistema con combustión directa (cañón).

Es importante controlar los niveles de los gases de combustión para evitar problemas a personas y plantas. El rendimiento de la máquina se considera del 100 % al introducir también el calor que acompaña a los gases de combustión.

- Sistemas de calefacción por conducción: Estos sistemas están diseñados para proporcionar una temperatura adecuada en la zona radicular. Desde un punto de vista físico, uno de los objetivos de la calefacción del suelo es utilizar, indirectamente, la superficie de intercambio con el aire que ofrece el suelo del invernadero, siendo ésta superior a la de los sistemas de calefacción aéreos (Feuilloley y Baille,1992). La dificultad de incorporar al suelo los intercambiadores y la limitación que provocan a las labores del suelo, redujo su expansión como sistema de calor. Sin embargo, la incorporación de los sustratos como medio de cultivo, facilitó la localización de los cambiadores de calor, bajo los sustratos.

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Calefacción enterrada en el suelo Es necesario definir : - el espesor de la capa de suelo que se desea calentar - la profundidad a la que tienen q ue enterrarse los tubos - la distancia entre los tubos Suelo

<60 (w m -2 ) ↑

y

Tagua < 40°C

suelo

d 15-30 mm

x y

Calefacción enterrada en suelo (González-Real y Baille, 1998)

- Sistemas de calefacción por convección y radiación: La transferencia de calor se realiza a través de tuberías, aéreas o dispuestas sobre el medio de cultivo, por donde circula agua caliente, pudiendo trabajar a alta (hasta 90 ºC) o baja temperatura (entre 30 ºC - 50 ºC) en función del material utilizado (metal o plástico).

Sistema por agua caliente en tubería de hierro

Estos sistemas modifican la temperatura del aire, al calentarse por convección al contacto con los tubos, y la de los objetos (suelo, planta, cubierta del invernadero, etc.) que se encuentran a su alrededor por intercambio radiativo. La distri bución del calor es más uniforme que en los sistemas por aire, al situar las tuberías cerca del cultivo y mantener unos gradientes térmicos bajos.

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J. C. López

Los sistemas de calefacción por agua caliente permiten distribuir el calor de forma uniforme, siendo más eficientes que los sistemas por aire. No obstante, mediante tuberías perforadas, que aproximan el calor a la planta, los sistemas de calefacción por aire de combustión indirecta han mostrado una eficiencia similar a los sistemas por agua caliente a baja temperatura (Lorenzo et al., 2000). La mayor inercia de los sistemas de agua frente a los de aire (Figura 1), permite un mejor control del clima siendo una ventaja, salvo en el caso de una parada del sistema, donde al enfriarse, tardará más en recuperar la temperatura de consigna. ºC

25 Aire caliente Agua caliente

20

15

10 0

2

5

7

10

12

15

17

20

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Hora Solar Figura 1. Evolución de la temperatura del aire (2 m) para dos sistemas de calor: aire y agua.

Stanhill (1981) contabilizó todas las entradas al invernadero (fertilizantes, agua, plantas, calefacción, CO2 , etc.) en unidades de energía, determinando que la necesidades de los invernaderos con calefacción en Inglaterra superaban en 40 veces a las de los invernaderos sin calefacción en Israel, correspondiendo a la calefacción el 80% del total de la energía consumida. De ahí la importancia de determinar localmente las necesidades energéticas derivadas de la calefacción. Ensayos realizados a nivel local con distintos sistemas de calefacción y diferentes niveles térmicos (Tabla 1 y 2) muestran la variabilidad entre campañas con respecto a los consumos de combustible. Para niveles bajos de temperatura 18


(10-12º C) los consumos de combustible se situaron entre 1,5-2,5 kg m-2 de propano, llegando a superar los 10 kg m-2 cuando se actuó a niveles altos (1618º C). Las diferencias existentes entre ambas campañas se deben al régimen de frío más severo de la campaña 98-99. Tabla 1.- Gasto (kg m-2 ) de combustible (propano) para dos sistemas de cale facción y dos campañas 97-98 y 98-99. Temperatura mínima día-noche de control establecida durante el desarrollo de los cultivos de pepino: Germinación: 22 / 20; Inicio fructificación: 18 / 16; Recolección: 16 / 14. (Lorenzo et al., 2000).

SISTEMA DE CALEFACCIÓN Campaña

Generadores de aire (Combustión indirecta)

97-98 98-99

Tubería agua caliente

5,6

4,7

9,9

10,8

(Para extrapolar el consumo de combustible a un invernadero de una hectárea multiplicar por 0,8). Tabla 2.- Gasto (kg m -2 ) de combustible (propano) para un sistema de aire caliente con combustión directa para dos campañas y a diferentes consignas: temperatura mínima 12 ºC; 14º C y 15 ºC. (López et al., 2000). AIRE COMBUSTIÓN DIRECTA Campaña 12º 97-98

1,2

98-99

2,4

14º

15º 4,3

5,1

(Para extrapolar el consumo de combustible a un invernadero de una hectárea multiplicar por 0,8)

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Trabajos realizados en la E.E. ‘Las Palmerillas’ en invernaderos tipo “parral” (poco herméticos) con sistemas de calefacción por aire con combustión directa para cultivos de pepino y judía a niveles de consigna bajos-medios (10º15º C), manejando la ventilación para evitar niveles elevados de gases, no han mostrado síntomas de toxicidad ni mermas en la producción. Sin embargo, en invernaderos de arco (más herméticos), para un cultivo de judía bajo un régimen de calor alto ( fase vegetativa 18º C y fase fructificación de 16ºC) el sistema de aire caliente con combustión directa provocó en el cultivo síntomas de toxicidad (reducción de la superficie foliar, reducción de la longitud del tallo y aborto de frutos) frente al de agua caliente por tubería de hierro, provocando mermas en la producción precoz y final (Figura 2). Los niveles alcanzados de CO2 en el invernadero con calefacción con com bustión directa, superaron las 5.500 ppm durante los períodos más fríos (TªinTªext > 8 º C). De ahí que el uso de estos sistemas deba estar condicionado a un control de los gases de combustión y a trabajar con regímenes de calor bajos o de mantenimiento (Tªinv – Tªext = ∆Tª pequeños), procurando ventilar o parar máquinas para evitar toxicidades a las personas y plantas. g m -2 5000

Agua caliente

4000

Aire caliente 3000 2000 1000 0 55

65

75

85

95

105

115

125

135

D.D.S.

Figura 2. Producción Comercial para un cultivo de judía bajo dos sistemas de calefacción: aire combustión directa y agua en tubería de hierro.

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El coste de la instalación de los sistemas de calefacción en orden creciente es: aire caliente de combustión directa, aire caliente de combustión indirecta, agua caliente a baja temperatura y agua caliente a alta temperatura. El coste de instalación para los sistemas de calefacción por agua caliente se reduce a medida que aumenta la superficie calefactada al compartir ciertos elementos (caldera, reguladores, etc.), hecho que no ocurre con los sistemas por aire caliente. Siendo el sistema más barato el aire caliente de combustión directa, también es el sistema más arriesgado al incorporar los gases de la combustión dentro del invernadero, especialmente cuando el número de horas de funcionamiento en continuo del sistema es elevado. Dada la gran incertidumbre que mantienen los precios de los productos hortícolas y de los combustibles, es importante hacer un seguimiento continuo a la rentabilidad de los sistemas.

REFERENCIAS BOT, G.P.A., VAN DE BRAAK. 1995. Physics of greenhouse climate. En: Greenhouse climate control. 125-160. DAY, W., BAILEY, B.J. 1998. Physical principles of microclimate modification. En: Ecosystems of the World. 71-101. FEUILLOLEY, P., BAILLE, A. 1992. Principes généraux d’utilisation des eaux tiédes pour le chauffage des serres. Informations Techniques du CEMAGREF, 87:1-8 GONZÁLEZ-REAL (BAILLE), M., BAILLE, A., 1998. Calefacción de invernaderos. En: Tecnología de invernaderos II. 339-398. Eds: Pérez J., Cuadrado I. M., D.G.I.F.A, FIAPA y C.Rural. HANAN, J.J., HOLLEY, W.D., GOLDSBERRY, K.L. 1978. Greenhouse Management. Edita Springer, New York, 530 pp. LÓPEZ, J.C., MATEO, A., PUERTO, H., PÉREZ, J. 2000. Calefacción por aire caliente con combustión directa. En: Calefacción de invernaderos en el sudeste español. 23-34. Edita Caja Rural de Almería, Almería (España). LORENZO, P. 2000. Influencia de la temperatura en el crecimiento y desarrollo de los cultivos. En: Calefacción de invernaderos en el sudeste español. 11-13. Edita Caja Rural de Almería, Almería (España).

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LORENZO, P., SÁNCHEZ-GUERRERO, M.C., MEDRANO, E. 2000. Comparación de calefacción por aire caliente con combustión indirecta frente a tubería radiante con agua caliente a baja temperatura. En: Calefacción de invernaderos en el sudeste español. 35-44. Edita Caja Rural de Almería, Almería (España).

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ENRIQUECIMIENTO CARBÓNICO Pilar Lorenzo CIFA de Almería

Enriquecimiento carbónico

1- INTRODUCCIÓN Uno de los factores determinantes de la producción de los cultivos protegidos es la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera del invernadero. La actual concentración de CO2 ambiental se sitúa en torno a 370 µmol mol-1, en la zona no saturante de la relación que existe entre la asimilación neta y la concentración de CO2 (Figura 1), siendo infraóptima para el crecimiento y desarrollo de la mayoría de los cultivos hortícolas. Los resultados experimentales muestran rendimientos productivos superiores cuando se aplica la técnica de enriquecimiento carbónico a concentraciones entre el rango de 700-900 µmol mol-1 (Papadopoulos et al., 1997). El cultivo en invernadero se desarrolla en un ambiente semicerrado y está sujeto a una concentración de CO2 fluctuante. Heij y Uffelen (1984) consideran que durante 1/3 del periodo de iluminación, la concentración de CO2 en el interior del invernadero se mantiene por debajo del nivel atmosférico exterior. El agotamiento de dióxido de carbono se incrementa cuando la tasa de asimilación neta del cultivo es elevada (alta radiación, dosel vegetal cerrado) y la renovación del aire en el interior de las estructuras es baja (velocidad del viento en el exterior inferior a 1,5 m s-1 y reducido gradiente térmico interiorexterior). En estas circunstancias es habitual registrar valores entre 205-270 µmol mol-1 (Ito, 1970; Lorenzo, 1990), que al mismo tiempo que reducen la asimilación neta de carbono, incrementan la conductancia estomática y pueden originar un desequilibrio hídrico transitorio en el cultivo.

A

0

100

200

300

400

500

600

Concentración de CO2

Figura 1. Representación generalizada de la relación entre la concentración de CO2 intercelular y la tasa de asimilación neta. (Adaptado de Farquhar y Sharkey, 1982).

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P. Lorenzo

Actualmente la incorporación de mallas anti-insecto en las ventanas del invernadero para proteger los cultivos de plagas y enfermedades es una práctica generalizada adoptada en la horticultura del sudeste mediterráneo. Muñoz et al. (1998) han cuantificado reducciones considerables de la tasa de ventilación del invernadero (descensos porcentuales del coeficiente de descarga de hasta el 35% y el 52% para mallas anti-pulgón y anti-trip, respectivamente). Por tanto, estas barreras físicas dificultan el intercambio de aire interior-exterior y la renovación de la concentración de CO2 . La ventilación natural, aunque es un método paliativo, resulta insuficiente para restablecer la concentración de CO2 en el interior de las estructuras de cultivo, especialmente cuando se producen altas tasas de asimilación. La progresiva sustitución de abonos orgánicos por fertilizantes químicos, el empleo de sustratos inertes y el aumento de la estanqueidad de los invernaderos como medida de ahorro energético en los cultivos protegidos, han hecho más patente el agotamiento de CO2 (Bauerle y Short, 1984). Algunos autores estiman oportuno mantener la concentración de dióxido de carbono dentro del invernadero al nivel atmosférico exterior, incluso en aquellas condiciones en las que la práctica de la ventilación es imprescindible durante gran parte del día (Slack y Hand, 1985; Nederhoff, 1988; Sánchez-Guerrero, 1999). El enriquecimiento carbónico da lugar a respuestas productivas variables, aumentos que van entre el 14 y el 61 % (Kimball, 1983). Las causas de esta variación son diversas: las condiciones en las que se desarrolla el cultivo, la técnica de incorporación de CO2 utilizada (fuente, régimen y concentración), el aporte de carbono total, la aclimatación del cultivo, la relación fuente-sumidero (Peet, 1986), etc. Se debe considerar la producción de fruto como el resultado de diversos procesos subyacentes: asimilación neta, floración, cuajado de fruto, distribución de materia seca, y todos ellos pueden verse afectados por la mayor o menor adecuación de diversos factores como: las condiciones climatológicas, el aporte de agua y fertilizantes, la incidencia de plagas, enfermedades o desórdenes fisiológicos.

2- RESULTADOS EXPERIMENTALES EN LA HORTICULTURA PROTEGIDA DEL SUR MEDITERRÁNEO La climatología de esta área productiva, derivada del régimen de insolación incidente en las estructuras de cultivo, origina el agotamiento de dióxido de car26


bono en el interior del invernadero durante el periodo de iluminación por el elevado consumo fotosintético. El decremento de CO2 aumenta a medida que se desarrolla el dosel vegetal, se han registrado reducciones del 55% con respecto a la concentración ambiental cuando el invernadero permanece cerrado (SánchezGuerrero, 1999). Por otra parte, las bajas tasas de renovación de aire por efecto de la insuficiente ventilación natural, en activo durante la mayor parte del periodo diurno para paliar los excesos térmicos, no permiten restablecer la concentración de CO2 (Lorenzo, 1994). Registros continuos realizados durante todo el ciclo de producción indican que la concentración de CO2 más habitual, analizada por clases de frecuencia, es de 250 a 300 µmol mol-1 durante el periodo de iluminación cuando opera la ventilación pasiva (Sánchez-Guerrero, 1999) (Figura 2). En este rango, el incremento de asimilación de carbono cuando aumenta la concentración de dióxido de carbono presenta repuestas notables, pues coincide con los valores de mayor pendiente de la relación. 100%

[CO2]

80%

( mol mol-1) o n r 60% u i d o d o i r 40% e P

400-450 350-400 300-350 250-300 200-250

20%

0% 0,5 - 1

1 - 1,5

1,5 - 2

2 - 2,5

2,5 - 3

3 - 3,5

LAI

Figura 2. Evolución de la concentración de CO 2 en el interior del invernadero durante el periodo diurno. Distribución por clases de frecuencia a lo largo del desarrollo de un cultivo de pepino. (Sánchez-Guerrero, 1999).

Estas circunstancias han puesto en evidencia la necesidad de mejorar la ventilación de las estructuras de cultivo y el interés de valorar la aplicación de enri-

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quecimiento carbónico teniendo en cuenta las características de los sistemas productivos locales. Las experiencias de enriquecimiento carbónico se han llevado a cabo en diferentes tipos de estructuras de protección, aplicando dos fuentes distintas de carbono (parafina de bajo contenido en azufre y CO2 puro), y variando las estrategias de aplicación. En invernadero parral tradicional de Almería se ha aportado dióxido de car bono generado a partir de la combustión de parafina sobre cultivo de judía de crecimiento indeterminado. Se ha mantenido un rango fijo entre 350 y 600 µmol mol-1 durante el periodo diurno (Sánchez-Guerrero, 1999). Los incrementos productivos obtenidos oscilan entre 12% y 17% en los ciclos de primavera y otoño-invierno, respectivamente. La distribución de materia seca entre las fracciones aéreas de la planta muestra un incremento relativo hacia la fracción de fruto. Las experiencias realizadas en invernaderos tipo parral mejorado y multitúnel, dotados con equipos para el control climático, han permitido establecer una estrategia dinámica vinculada a la ventilación del invernadero y al régimen de viento, consistente en enriquecer la atmósfera del invernadero al doble de la concentración exterior (700 µmol mol-1) cuando las ventanas permanecen cerradas y próxima a la ambiental (350 µmol mol-1) cuando opera la ventilación, ya sea por exceso térmico o higrométrico, con objeto de reducir el gradiente interior/exterior y evitar pérdidas innecesarias (Lorenzo, 1997) (Figura 3, 4 y 5). En los ciclos de primavera la ventilación permanece activa buena parte del día con la finalidad de controlar la temperatura, por lo que la incorporación de CO2 es menor que en el ciclo de invierno. Como consecuencia, también lo es su efecto. Los resultados que se han obtenido en esta dirección están en la línea de las observaciones de Nederhoff (1994), quien argumenta que la respuesta productiva obtenida guarda relación directa con la cantidad de dióxido de carbono aportado.

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Figura 3. Sistema localizado de distribución de CO 2 en el aire del invernadero.

Figura 4. Analizador de dióxido de carbono para el control dinámico de la concentración de CO2 en la atmósfera del invernadero.

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800

800

700

700

600

600

500

500

400

400

300

300

200

200

100

100

0 0:00

3:00

6:00

0 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

[CO2] Enriquecido

[CO2] Testigo

Radiación global exterior

Figura 5. Evolución de la concentración de CO 2 resgistrada en el interior de invernaderos multitúnel enriquecido y control con un cultivo de pepino desarrollado de Indice de Área Foliar 3. (Sánchez-Guerrero et al., 1988).

Cuando se ha aplicado esta estrategia con CO2 puro en diferentes ciclos de cultivo de pepino, los incrementos de la producción acumulada de fruto obtenidos oscilan entre 19% y 25%. El enriquecimiento carbónico ha producido un aumento sobre la eficiencia hídrica referida a la producción de fruto de pepino del 40%. Esto se debe por una parte al incremento productivo y por otra a la reducción del aporte hídrico del 15% para mantener una conductividad eléctrica en el entorno radicular semejante a la del cultivo testigo (Lorenzo, 1998) (Figura 6). Al aumentar la concentración de carbono en la atmósfera del invernadero se produce un aumento de la tasa fotosintética, lo que lleva implícito un aumento de la absorción de iones. Por tanto, es necesario adecuar la gestión de la fertirrigación para mantener la misma concentración de nutrientes en el entorno de la raíz, y se debe incrementar su aporte con objeto de restablecer el equilibrio. Segura et al. (2000) han analizado la absorción de nutrientes de un cultivo de pepino enriquecido respecto al control y han observado un aumento principalmente de N, K, Ca y Mg.

30


CO 2 ↑ Fotosíntesis neta

↓ Conductancia estomática

↓ Transpiración ↑ ↑ Producción Materia Seca

↑ Temperatura Foliar ↑ DPV

↑ Eficiencia Uso Agua

Figura 6. Efecto del aumento de la concentración de CO 2 en la atmósfera del invernadero sobre la eficiencia en el uso del agua.

La asociación de enriquecimiento carbónico y apoyo térmico en estas estructuras ha dado lugar a aumentos de la producción acumulada de pepino en cultivo sin suelo del 56 % respecto al control. Se han comparado los resultados obtenidos en los invernaderos con diferente nivel de control climático. Un aumento del 24% se ha atribuido a la aplicación de calor, mientras que el resto se debe al aporte de carbono (Sánchez-Guerrero, 2000). Este mismo efecto sinérgico se ha observado también en cultivo de judía de crecimiento indeterminado, que ha producido 7,1 kg m-2 frente a 1,5 kg m-2 en el invernadero pasivo. La notable diferencia se explica porque el control térmico ha posibilitado un adecuado crecimiento y desarrollo de las plantas, dando lugar a floraciones consecutivas, mientras que en el invernadero pasivo, cosechada la primera floración, el envejecimiento precoz del cultivo como consecuencia del estrés térmico ha dado fin al ciclo productivo. El 16% del incremento productivo se relaciona con el aporte de dióxido de carbono (Lorenzo, 1998).

3- CONSIDERACIONES SOBRE LA APLICACIÓN DE ENRIQUECIMIENTO CARBÓNICO La aplicación de dióxido de carbono a la atmósfera del invernadero origina generalmente incrementos productivos, dado que la concentración de CO2 am biental es inferior a la óptima biológica para la mayoría de las especies hortícolas

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P. Lorenzo

que se cultivan bajo protección. La respuesta es variable, en términos relativos es mayor a concentraciones bajas, en las que la relación Concentración de CO2 / Asimilación neta presenta mayor pendiente. El aumento de la concentración de CO2 en la atmósfera del invernadero reduce el efecto de inhibición que ejerce la concentración de O2 sobre la tasa de fotosíntesis debido a la respiración. El invernadero es un recinto semicerrado que impide en mayor o menor medida la renovación del aire interior. Cada área productiva presenta unas características climatológicas específicas que dan lugar a la adopción de sistemas de cultivo apropiados. Por tanto, la elección de la estrategia de incorporación de carbono en las estructuras de cultivo y de la fuente debe racionalizarse de acuerdo con los parámetros locales. A medida que el sistema de cultivo genera mayor agotamiento de la concentración de CO2 por: baja renovación de aire (superficie de ventilación reducida, utilización de mallas anti-insecto, velocidad de viento baja), dosel vegetal desarrollado y/o alta radiación, la respuesta productiva obtenida por la aplicación de carbono generalmente es superior. El aporte de dióxido de carbono mejora la eficiencia hídrica del cultivo, fundamentalmente debido a la mayor producción de fruto y en menor medida por la reducción del aporte de agua que requiere el sistema. El enriquecimiento carbónico implica una adecuación de la fertirrigación, ya que el aumento de asimilación lleva implícito un incremento de la absorción iónica.

REFERENCIAS BAUERLE, W.L., SHORT, T. H. 1984. Carbon dioxide depletion effects in energy efficient greenhouses. Acta Horticulturae 148: 627-632. FARQUHAR, G.D., SHARKEY, T.D. 1982. Stomatal conductance and photosynthesis. Ann. Rev. Plant Physiol. 33: 317-395. HEIJ, G., UFFELEN, J.A.M. 1984. Effects of CO2 concentration on growth of glasshouse cucumber. Acta Horticulturae 162: 29-36. ITO, T. 1970. Carbon dioxide depletion within the plant canopy in growing vegetable crops. Journal Japanese Society Horticultural Science. 39(2): 185-192.

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P. Lorenzo

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LA RADIACIÓN SOLAR EN INVERNADERO EN LA COSTA MEDITERRÁNEA ESPAÑOLA Nicolás Castilla CIFA de Granada

La radiación solar en invernadero en la costa mediterránea española

RESUMEN La radiación solar es la fuente de energía para el crecimiento y desarrollo de las plantas y el principal insumo de la bioproductividad vegetal. Las favorables condiciones de radiación en la costa mediterránea española para el cultivo en invernadero están limitadas por la baja transmisividad (proporción de la radiación solar exterior que penetra dentro de invernadero). Es necesario mejorar dicha transmisividad mediante invernaderos más eficientes en captar la radiación, especialmente en otoño e invierno, y empleando materiales de cerramiento y técnicas de manejo que permitan optimizar el uso de la radiación.

1- INTRODUCCIÓN El cultivo protegido en invernadero pretende mejorar las condiciones am bientales de las plantas para incrementar su bioproductividad. Dos enfoques básicos han prevalecido en cultivo de invernadero: 1. - El de “máxima modificación climática”, empleado en el norte de Europa, al emplear unos invernaderos sofisticados, climatizados con gran empleo de energía, que requieren una alta inversión y generan altas producciones a unos costes de producción elevados y 2. -“Los invernaderos mediterráneos”, de bajo coste de construcción, con mínimo uso de energía, que generan condiciones climáticas subóptimas en ciertas épocas y de menores prestaciones productivas, pero con costes de producción inferiores (Enoch, 1986). La radiación solar es la fuente de energía para el crecimiento y desarrollo de las plantas y el principal insumo de la bioproductividad vegetal. La parte de la radiación solar que es útil para la fotosíntesis de las plantas es designada como “radiación fotosintéticamente activa” o PAR (iniciales de la expresión en inglés). Normalmente denominamos luz a la parte de la radiación solar que es visible para el ojo humano. Mejorar las condiciones de radiación en “invernaderos mediterráneos” artificialmente, mediante iluminación complementaria, resulta utópico por su elevado coste. Es necesario, por tanto, optimizar las condiciones radiativas construyendo invernaderos eficientes en captar la radiación, a unos costes asequi bles. Esta breve exposición se centrará en los aspectos más destacables de la

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N. Castilla

radiación en invernadero en la costa mediterránea mediterr ánea española, desde ese punto de vista.

2-BIOPRODUCTIVIDAD 2-BIOPRODUCTIVIDAD VEGETAL VEGETAL Los factores que determinan la bioproductividad vegetal neta (Pn) son la cantidad de radiación incidente (Q), la proporción de esa radiación que es interceptada por órganos verdes de la planta (β), la eficiencia de conversión fotosintética de radiación interceptada en biomasa (ε) y las pérdidas de biomasa en respiración (R) Pn = (Q · β · ε ) - R

(Coombs et al., 1987).

Así pues, la bioproductividad vegetal neta depende, en primer lugar, de la radiación incidente sobre las plantas. Para que dicha radiación pueda ser utilizada eficientemente en el proceso de fotosíntesis debe ser interceptada por los órganos fotosintetizantes de las plantas. La eficiencia de utilización de la radiación interceptada para su conversión en biomasa dependerá de las características de la planta y de las condiciones ecológicas (clima, suministro sumin istro hídrico, nutrición, sanidad,...). Habrá, por último, que q ue detraer las pérdidas de biomasa en respiración, muy dependientes de la temperatura. Estos factores determinantes de la bioproductividad dependen, en gran parte, de la radiación y, también, de las demás condiciones condiciones climáticas (temperatura, (temp eratura, humedad ambiental y de suelo, composición de la atmósfera,...). La proporción de la biomasa total que es invertida en partes cosechables del cultivo (por su interés económico: frutos fru tos en el tomate, hojas en la lechuga, tubérculos subterráneos en la patata,...) es conocida como el “índice de cosecha” (Coombs et al., 1987). Maximizar el índice de cosecha debe ser el objetivo de un manejo agronómico adecuado, que priorice la distribución de asimilados hacia los órganos cosechables de la planta (hojas, frutos, tubérculos, raíz,...). La optimización de la bioproductividad vegetal neta (Pn) y del índice de cosecha implica el empleo de diversas técnicas de producción y prácticas culturales (me jora jora micro microcl climá imáti tica ca medi median ante te cu culti ltivo vo prote protegi gido do,, riego riego,, po poda da,, ferti fertiliz lizac ación ión,, de defe fennsa fitosanitaria, etc.) que permitan obtener del material mater ial genético empleado en las diversas condiciones ecológicas (suelo y clima) las más provechosas prestaciones agronómicas. 38


3- TRANSMISIVIDAD DEL INVERNADERO La abundancia de días despejados, en los que la radiación directa prevalece sobre la difusa, es una característica del clima de nuestra costa mediterránea que, junto a sus suaves temperaturas invernales, lo diferencian del clima de otras áreas de invernaderos donde predomina la radiación difusa (días nublados), es pecialm pecialmente ente en otoño otoño e inviern inviernoo (Hanan, (Hanan, 1990 1990). ). Las condiciones de radiación solar en invernadero son muy importantes desde el punto de vista productivo, no solo cuantitativamente sino también cualitativamente. Las características ópticas de la cubierta del invernadero pueden modificar significativamente significativam ente la calidad de la radiación (espectro de distribución o proporción de radiación difusa) afectando a los cultivos, principalmente princi palmente en cuanto a la eficiencia de uso de la radiación y a sus efectos fotomorfogénicos (Baille, 1998) y sobre los insectos y microorganismos del invernadero. La fracción de radiación solar global transmitida transmit ida dentro de un invernadero es designada como “transmisividad global del invernadero” (Zabeltitz, 1998). Han sido ampliamente documentadas las limitaciones productivas que implican los bajos bajos nivele niveless de radiac radiación ión den dentro tro de invern invernade adero ro en otoño otoño e invier invierno no en la costa costa mediterránea mediterránea española, en cultivos de hortalizas que son exigentes en luz (Castilla et al., 1999). Maximizar la radiación dentro de invernadero es, por tanto, un objetivo deseable en nuestras latitudes, especialmente en otoño e invierno.

Radiación solar global media (MJ m-2 día -1) a lo largo del año 30 25 20 15 10 5 0

e . e b . a r . b r . a y . u n . u l . . g o . e p . c t . o v . i c c . n E F M A M J J A S O N D Almer ía

W ag e ning en

La evolución evolución de la radiación radiación solar a lo largo del del año en Almería Almería y Wageningen Wageningen (Holanda) denota las mejores condiciones de la costa Mediterránea. 39

N. Castilla

Dicha transmisividad es función, entre otros factores, de las condiciones climáticas (nubosidad, principalmente, que determina la proporción de radiación directa y difusa), de la posición del Sol en el cielo (que (qu e dependerá de la fecha y hora del día y de la latitud del lugar), de la geometría de la cubierta del invernadero, de su orientación (este-oeste, norte-sur,...), norte- sur,...), del material de cerramiento (características ópticas y radiométricas, estado de limpieza, limp ieza, condensación de agua en el interior,...) interior,...) y de los elementos estructurales y equipos del invernadero que limitan, al sombrear, la radiación dentro del invernadero (Bot, 1983; Zabeltitz, Zabel titz, 1998). La transmisividad a la radiación solar directa variará en función del ángulo de incidencia (que forman el rayo solar y la perpendicular a la cubierta del invernadero), invernadero), siendo mayor dicha transmisividad transmisividad cuanto menor sea dicho ángulo, es decir, cuanto más perpendicularmente perpendicul armente incida la radiación sobre la cubierta cubiert a del invernadero (Bot, 1983). La transmisividad global media (fracción de radiación global exterior que penetr penetraa en el invern invernade adero) ro) de debe be integr integrars arsee co como mo valor valor medio medio en todo todo el invern invernaadero, dada la variabilidad a que están sometidos los diversos puntos del invernadero en cuanto a radiación (por su situación, por diferencias de sombreo de los elementos estructurales y de los equipos,...) en días despejados, cuando predomina la radiación directa (Bot, 1983). En días completamente nublados, cuando toda la radiación solar es difusa (ausencia de sombras definidas, por su carácter adireccional) la distribución de radiación es más homogénea dentro de invernadero (Baille, 1998). Es importante recordar las notorias diferencias existentes, desde el punto de vista de la transmisividad, entre invernaderos unimodulares y multimodulares derivadas de los sombreos entre módulos, cuando las pendientes de cubierta tienen cierta inclinación.

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P RADIACION SOLAR

Radiación directa

α

RADIACION TRANSMITIDA DENTRO DEL INVERNADERO

TRANSMISIVIDAD (%)

α

P: perpendicular a la cubierta

PE térmico

Tricapa

0º

87

91

20º

84

89

40º

79

86

60º

66

76

80º

53

54

(Fuente: Montero et al, 2000)

La transmisividad a la radiación solar directa dependerá del ángulo de incidencia ( α ) de los rayos solares y de las características del material de cubierα ta del invernadero, entre otros factores.

4-TRANSMISIVIDAD EN INVERNADEROS MEDITERRÁNEOS Tras unos primeros pasos para mejorar la transmisividad de las estructuras tipo parral (invernaderos asimétricos de escasa pendiente de cubierta, con orientación este-oeste en cumbrera; Castilla et al., 1994), posteriores y recientes trabajos de investigación desarrollados por la Junta de Andalucía, en colaboración con el I.R.T.A. de Cabrils y Caja Rural de Granada (Estación Experimental “La Nacla”, en Motril), han demostrado el interés de aumentar notablemente las pendientes de cubierta en invernaderos tipo parral (Quesada et al., 1998; Castilla et al., 1999; 2000). En nuestras condiciones productivas, en invernadero parral sin calefacción con cultivo de pepino de otoño-invierno, se han cuantificado aumentos de producción superiores al 20 %, al emplear un invernadero más eficiente en transmisividad (invernadero parral orientado este-oeste con ángulos de 45º en el lado sur y 27º en el norte) que el asimétrico convencional (ángulos de 11º en el lado sur y 24º en el norte), generando diferencias en producto bruto anual superiores a las 200 pesetas por m2 (Castilla et al., 2000). 41

N. Castilla

Ángulo de incidencia de radiación solar directa en invernaderos asimétricos orientados Este-Oeste Sur de España (37º N Latitud) Solsticio de Invierno-Mediodía θ - Ángulo cenital mínimo

V- línea vertical P - línea perpendicular de cubierta SR- Rayos de sol

(mediodía) aprox 60º α − Ángulo de incidencia

Norte

Los invernaderos asimétricos de pendiente alta en el lado sur son más eficientes en captar radiación, en torno al solsticio de invierno, al incidir los rayos solares (radiación directa) con menores ángulos ( α α ) de incidencia.

Habida cuenta del incremento de coste de construcción que suponen esas mayores pendientes de cubierta, una solución de compromiso, que está siendo adoptada por algunos agricultores como estructura de bajo coste, es la del invernadero parral, a dos aguas, simétrico, orientado este-oeste, con ángulos de cubierta de unos 30º. La uniformidad de radiación en estos invernaderos orientados este-oeste (simétricos con ángulos de cubierta de unos 30º) es menor (en días soleados) que en los orientados norte-sur, pero su transmisividad en otoño-invierno es superior, llegando a alcanzar diferencias de más del 10% de la radiación global al aire libre en días soleados, en torno al solsticio de invierno. No obstante, la mayor altura de los invernaderos (3,5 – 4,0 metros de altura en canalones), el menor ancho de las capillas (módulos) y las características de difusión de la radiación de las láminas plásticas empleadas hoy día, amortiguan notablemente

42


esas diferencias de uniformidad entre invernaderos multimodulares orientados este-oeste y norte-sur. En invernaderos de cubierta curva (multitúnel), de mayor nivel tecnológico en cuanto a sus posibilidades de equipamiento que los invernaderos tipo parral, la orientación este-oeste induce una mayor transmisividad que la orientación norte-sur, especialmente relevante en otoño e invierno (Morales et al., 2000). Como contrapartida, la orientación norte-sur tiene mayor uniformidad de radiación dentro del invernadero, al igual que ocurre en los tipo parral. CICYT-AGF-1996-2512

Latitud 37ºN Asimet 9; PE-térmico

30º 30º

30º 30º

30º 30º

80 ) % ( 75 d a d i 70 v i s i m s 65 n a r T

Orientación

60

E-W

N-S

55 21-Dic

21-feb

21-Abr

21-jun

Figura 1. Transmisividad media (%) a la radiación solar directa según la orientación de la cumbrera (N-S, E-W) en un invernadero simétrico (ángulo de cubierta: 30º) según el mes del año. Los invernaderos de cubierta simétrica a dos aguas, y ángulos de cubierta de 30º, son más eficientes en otoño e invierno en captar energía solar en días soleados, si se orientan Este-Oeste (cumbrera) que si se orientan Norte-Sur.

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N. Castilla

CICYT-AGF-1996-2512

Latitud 37ºN Asimet 9; PE-térmico

) % ( d a d i v i s i m s n a r T

75 73 71 69 67 65 63 61 59 57 55

10º 10º

10º 10º

10º 10º

Orientación E-W 21-Dic

21-feb

21-Abr

N-S 21-jun

Figura 2. Transmisividad media (%) a la radiación solar directa según la orientación de la cumbrera (N-S, E-W) en un invernadero simétrico (ángulo de cubierta: 10º) según el mes de año. Las diferencias en transmisividad según su orientación (Este-Oeste o Norte Sur) en días soleados son escasas, incluso en el solsticio de invierno, si los invernaderos son de baja pendiente (10º).

En invernaderos multitúnel, la transmisividad sigue pautas similares a las descritas en invernadero parral. Las mayores pendientes de la cubierta curva implican mayor transmisividad (en los rangos indicados), si bien los elementos estructurales suelen ser mayores en estos invernaderos curvos que en los tipo parral. La reciente aparición en el mercado de láminas plásticas más transmisivas a la radiación solar (multicapa) que las láminas convencionales de polietileno-normal, larga duración y térmico- (Montero et al., 2000), y que han sido bien aceptadas por los horticultores de invernadero, confirma el interés (ampliamente documentado en nuestras condiciones) de aumentar la radiación dentro de invernadero en épocas de baja radiación.

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A nivel foliar, se ha definido el “nivel de saturación de radiación” a partir del cual los incrementos de radiación no conllevan aumentos paralelos de fotosíntesis. Esta situación (muy estudiada en cámaras de crecimiento en laboratorio) puede producirse en invernadero durante los meses de alta radiación y a las horas centrales del día, pero solamente en las hojas de los estratos superiores del cultivo sometidas a mayor radiación, mientras que las hojas de estratos inferiores (sombreadas por las superiores) reciben mucha menos radiación y están lejos del nivel de saturación. Por ello, a nivel global de planta no suele darse saturación de radiación en las especies hortícolas comestibles, en nuestras condiciones mediterráneas, por lo que normalmente no parece justificado reducir radiación en invernadero por este motivo. Cabe, no obstante, limitar la radiación por otros motivos (para limitar temperatura en invernaderos insuficientemente ventilados, por razones de calidad de fruto, para mejorar coloración, por estrés hídrico,...) El efecto anti-goteo de las láminas multicapa en su cara interior (una vez colocada en el invernadero) permite evitar la formación de gotas gruesas (al condensarse el vapor de agua en la lámina), que limitan la transmisividad (Jaffrin et al., 1990; Zabeltitz, 1998) y contribuyen al posterior goteo del agua de condensación sobre el cultivo, con negativos efectos en su sanidad. Lavar las cubiertas plásticas y restringir en lo posible el blanqueo de los invernaderos, junto con una elección adecuada de lámina plástica, permiten una mayor disponibilidad de radiación dentro de invernadero (Montero et al., 1985; Morales et al., 2000). Otras medidas, como limitar las sombras de estructura y de equipos (pantallas térmicas, mallas en ventanas,...) y de cortavientos exteriores, son necesarias al implantar los invernaderos (Zabeltitz, 1998). Y no olvidemos las técnicas de cultivo que optimizan el aprovechamiento de radiación (interceptándola) dentro del invernadero: orientación de líneas de cultivo norte-sur, densidad de plantas, entutorado, poda, uso de acolchado,...(Castilla, 1994). Conviene resaltar el interés de experimentar las técnicas de cultivo novedosas previamente a su adopción generalizada. A este respecto, cabe destacar la negativa influencia en producción del uso de acolchado blanco (para incrementar la radiación captada por el cultivo) en invernaderos sin calefacción en nuestras condiciones (costa mediterránea) de otoño-invierno, al reducir la temperatura radicular significativamente, tanto en cultivo en suelo como en sustrato (Lorenzo et al., 1999; Hernández et al., 2000). 45

N. Castilla

5- CONCLUSIONES Cabe, por tanto, concluir que es necesario aumentar la radiación solar incidente dentro de los invernaderos de la costa mediterránea española, especialmente en otoño e invierno. Para ello hay que mejorar su transmisividad. El mejor diseño debe ser un compromiso entre este objetivo y la obtención de unos costes limitados de construcción y manejo, que generen el máximo beneficio al horticultor, dentro del marco de una horticultura respetuosa con el medio ambiente.

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VENTILACIÓN Y REFRIGERACIÓN DE INVERNADEROS J. Pérez-Parra1 , J.I. Montero2 , E. Baeza1 , A. Antón2 1

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Estación Experimental ‘Las Palmerillas’ de Cajamar Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentàries (IRTA), Barcelona

Ventilación y refrigeración de invernaderos

1- INTRODUCCIÓN Con el desarrollo de la horticultura protegida en climas cálidos ha surgido la necesidad de reducir la temperatura en los invernaderos, en beneficio de los cultivos y de las condiciones de trabajo de los agricultores. Desde hace años, pero muy especialmente durante la última década, se han llevado a cabo distintos experimentos orientados a refrigerar el invernadero durante las horas de más calor. A modo de resumen puede decirse que hay cuatro factores principales que permiten limitar las temperaturas máximas (Montero et al.,1998): - La reducción de la radiación solar que llega al cultivo (blanqueado, sombreo, etc.) - La ventilación. - La refrigeración por evaporación de agua (nebulización, «cooling system» etc.) - La evapotranspiración del cultivo, refrigeración por evaporación producida por las plantas. Estos cuatro factores están ligados entre sí, de manera que si uno de ellos cambia también cambian los demás. Por ejemplo, al sombrear se reduce la tem peratura del aire del invernadero, pero también se reduce, en la mayoría de los casos, la tasa de transpiración. Un efecto frena al otro, y por ese motivo es necesario estudiar los métodos de refrigeración en su conjunto. Del estudio com binado de las distintas maneras de refrigerar se pueden obtener las siguientes conclusiones generales: 1. El sombreo tiene más influencia sobre el clima del invernadero cuando la ventilación es escasa. Por ejemplo, si la tasa de renovación es 10 volúmenes por hora (invernaderos parrales con pocas ventanas) una malla blanca desciende la temperatura en 3 ó 4°C, mientras que si es 60 el descenso térmico es de apenas 1°C. 2. El sombreo es más eficaz en la reducción de temperatura de los tejidos que transpiran muy poco (frutos y flores) que en los de alta transpiración (hojas). 3. En los invernaderos sin plantas o con el cultivo recién transplantado, el sombreo reduce en gran manera la temperatura (más de 10°C en muchos casos). Sin embargo, cuando hay otra fuente la refrigeración, ya sea la transpiración del cultivo, la evaporación de agua o el aumento de la tasa 51

J. Pérez-Parra, J.I. Montero, E. Baeza, A. Antón

de ventilación, el sombreo pierde importancia relativa y tiene menos efecto sobre el clima interno. 4. Durante el tiempo de uso de los equipos de evaporación el invernadero debe estar ventilado. Es un error cerrar las ventanas cuando el «Fog» u otros equipos similares están en funcionamiento. Por otra parte, si la ventilación es alta, el equipo de humectación debe tener capacidad suficiente para añadir el vapor de agua que se escapa por las ventanas. La cifra de 20 a 30 renovaciones horarias parece un buen término medio, y es una tasa de ventilación que puede alcanzarse en la mayoría de invernaderos con ventanas cenitales incluso en días de poco viento. 5. En las primeras fases de desarrollo del cultivo (baja tasa de transpiración por unidad de superficie), los equipos de refrigeración por evaporación son extraordinariamente eficaces incluso en climas húmedos y logran descensos térmicos del orden de 15 y 20°C en invernaderos con mala ventilación. En este repaso a los métodos de refrigeración consideramos conveniente hacer una revisión de los últimos avances en la ventilación natural y en el uso de los equipos de aporte de humedad.

2- VENTILACIÓN NATURAL 2.1. Condiciones de viento en calma Las condiciones más desfavorables para la ventilación natural se producen cuando el viento está en calma absoluta. Estas condiciones de calma total rara vez se producen en la realidad durante el tiempo necesario para tomar las medidas experimentales. Por ello se suele recurrir a estudios de laboratorio que ayudan a analizar el comportamiento del invernadero con viento en calma. La Figura 1 muestra el incremento de temperatura respecto al exterior de cuatro invernaderos distintos en función de la cantidad de calor que recibe el aire del invernadero (Montero et al., 2001b). Por ejemplo, en un día soleado de verano la radiación solar dentro del invernadero puede ser cercana a 700 W m-2 . Si el invernadero tiene un cultivo bien desarrollado, gran parte de esta radiación (hasta un 70 %) la usa el cultivo en evaporar agua. En este caso el calor neto recibido por el aire del invernadero sería de 210 W m-2 aproximadamente. Si el 52


invernadero tiene el cultivo recién transplantado la cantidad de calor cedida al aire del invernadero se aproximaría a los 700 W m-2. Según la figura, el invernadero 1, que tiene ventanas laterales del 16% respecto a la superficie del suelo, presenta un salto térmico excesivo. Las condiciones térmicas son mucho mejores cuando las ventanas laterales son del 33% de la superficie del suelo. La Figura 1 muestra también la importancia de combinar la ventilación lateral y la cenital: con el 10 % de ventanas laterales y el 10% de ventanas cenitales la ventilación parece ser suficiente (invernadero 3). Estos porcentajes mínimos recomendados del tamaño de las ventanas deben aumentarse cuando se instalen mallas anti insectos en las ventanas, como se discutirá a continuación. 2.2 Ventilación por efecto del viento 2.2.1 Experimentos de visualización.

Además de las medidas directas en campo de la tasa de ventilación usando un gas trazador y registrando la caída de la concentración del gas en el tiempo, se pueden hacer experimentos de visualización del flujo que ayudan a comprender cómo se mueve el aire en el invernadero. La Figura 2 es un ejemplo que muestra el campo de velocidades del aire en un invernadero túnel (Montero et al., 2001a). Una de las conclusiones principales que se puede obtener de dicha figura es la importancia del diseño de la ventana cenital. Por ejemplo, en las Figuras 2.1 y 2.4 puede observarse cómo el aire pasa de un lado a otro de la ventana cenital de “sombrerete” sin incidir apenas en la circulación del aire en el invernadero. En cambio, cuando la ventana cenital permite capturar el viento (Figura 2.3), la tasa de ventilación aumenta considerablemente. Esta observación parece indicar que las ventanas con techo abatible (aquellas que disponen de un alerón abatible que sirve para abrir o cerrar la ventana) son más eficaces que las que enrollan el plástico en el mismo plano del techo del invernadero, puesto que las primeras permiten forzar al viento a que entre en el invernadero mientras que en las segundas el flujo de aire externo puede pasar de largo por la apertura de la ventana, de la misma manera que ocurre en la Figura 2.4. Las medidas en campo han demostrado que esta hipótesis es válida, como se comentará más adelante. Otros experimentos de visualización en invernaderos multicapilla comparan las ventanas cenitales abatibles a barlovento y a sotavento. Aparentemente, las 53


ventanas cenitales abiertas de cara al viento producen una tasa de ventilación mayor que la de las ventanas a sotavento. Por el contrario, la velocidad del aire dentro del invernadero es más uniforme en la ventilación a sotavento que a barlovento, puesto que se evitan las corrientes directas de aire sobre los cultivos. 2.2.2. La ventilación del invernadero parral.

El interés de estudiar la ventilación natural en el invernadero parral deriva de su importante presencia, especialmente en Almería donde el 98% de los invernaderos se basan en esta estructura. Entre las estructuras que se engloban bajo la denominación de invernadero parral, el más construido actualmente es el llamado de raspa y amagado o multicapilla. Los estudios que se están realizando para este tipo de invernadero en la Estación Experimental ‘Las Palmerillas’, dentro de un convenio establecido por Cajamar y el IRTA de Cataluña, ilustran la forma en que ventilan estos invernaderos y permiten responder a algunas de las preguntas que surgen con más frecuencia en relación con la ventilación natural. Los resultados obtenidos indican lo siguiente: 1. Cuando se instalan ventanas del tipo enrollable, la disposición combinada de ventanas cenitales y laterales mejora la tasa de ventilación, con respecto a la colocación sólo de ventanas cenitales hasta un 50% para velocidades bajas de viento (2 m s-1) tanto cuando en las ventanas se colocan mallas anti insectos como sin ellas (Figuras 3 y 4). 2. La colocación de mallas anti insectos, práctica frecuente en Almería, produce una reducción en la tasa de ventilación del orden del 35% en el caso de las mallas anti pulgón. Esto ocurre en invernaderos con ventanas cenitales sólo y con ventanas cenitales y laterales combinadas (Figura 4). 3. El tipo de ventana también afecta a la tasa de ventilación: las ventanas abatibles incrementan la tasa de ventilación hasta prácticamente doblar la de las ventanas enrollables (Figura 5). Estos son los primeros resultados de una investigación más amplia que continúa en curso.

3- REFRIGERACIÓN POR EVAPORACIÓN DE AGUA Las tendencias en el uso de esta tecnología se pueden resumir así:

54


1. El tipo de boquilla más utilizado es el de agua a alta presión. En algunos casos se usan equipos de agua a baja presión muy económicos, lo cual puede ser útil en Almería durante las primeras fases de los cultivos transplantados en verano, pero la calidad de la nebulización y la eficacia de la evaporación es muy pobre. 2. El aporte de humedad al ambiente puede ser un método eficaz para aliviar el efecto negativo del agua salina en algunos cultivos. Por ejemplo, Li (2000) obtuvo pérdidas del 5,1% por cada dS m-1 en exceso de 2 dS m-1 en el rendimiento comercial de tomate. El mismo cultivo con aporte de humedad al ambiente tuvo unas pérdidas menores asociadas a la salinidad (del 3,4% por cada dS m-1). 3. Los controladores climáticos actuales deben mejorarse para que el uso de los equipos de aporte de humedad sea más eficaz. Generalmente no consideran el déficit de presión de vapor (DPV) en los valores de consigna a mantener, siendo el DPV un indicador de primera importancia en las necesidades de riego o en la respuesta de la planta al ambiente. A veces los controladores tampoco combinan bien la apertura de ventanas y el aporte de humedad en los periodos más cálidos. Pensamos que la mejora del control de los humectadores es una línea de trabajo para los invernaderos de zonas cálidas como Almería. 20 16 C º , a r u 12 t a r e p 8 m e T 4 0 0

200

400 Calor sensible, W m

600

800

-2

Figura 1. Salto Térmico en función del calor sensible cedido al aire del invernadero.♦ Invernadero con el 16 % de las ventanas laterales, ! invernadero con el 33% de ventanas laterales, ! invernadero con 8% de ventanas laterales y 10% de ventanas cenitales, ! Invernadero con 16% de ventanas laterales y 10% de ventanas cenitales.

55


1

2

3

4

Figura 2. Campo de velocidades en cuatro invernaderos túnel. 1) Ventanas laterales y cenitales, 2) Lateral a barlovento y cenital a sotavento, 3) Cenital a barlovento y lateral a sotavento 4) Ventanas cenitales. 55 ) h / n e r ( n ó i c a l i t n e v e d a s a T

50 45

y = 2,1075x + 25,778 2

R = 0,7737

40 35 30 25 20 15

y = 1,5291x + 5,7904 2

10 5

R = 0,8519

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

Velocidad viento (m/s)

Figura 3. Comparación de la tasa de ventilación a barlovento de los dos invernaderos. 1) con ventanas cenitales , 2) con ventanas cenitales y laterales longitudinales al viento - - - - - - -. 56


24 y = 1,5291x + 5,7904

h / 20 n e r ( n ó 16 i c a l i t 12 n e v e d 8 a s a T 4

R2 = 0,8519

y = 1,0258x + 3,8856 R2 = 0,8602

0 0

1

2

3

4

5 6 7 8 Velocidad viento (m/s)

9

10

11

12

13

Figura 4. Tasa de ventilación en función de la velocidad del viento de dos invernaderos con ventanas cenitales. 1) con mallas anti insectos , 2) sin malla anti insectos - - - - - - -. 30 h / 25 n e r ( n20 ó i c a l i t 15 n e v e10 d a s a T 5

y = 2,1618x + 0,7808 2

R = 0,8281

y = 0,9217x + 3,2032 2

R = 0,7627

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

Velocidad de viento (m/s)

Figura 5. Tasa de ventilación en función de la velocidad del viento. 1) con ventanas enrollables , 2) con ventanas abatibles - - - - - - -.

REFERENCIAS LI. 2000. Analysis of greenhouse tomato production in relation to salinity and shoot environment. Tesis Doctoral. Universidad de Wageningen. 96 pp. MONTERO, J.I., ANTÓN, A., MUÑOZ, P. 1998. Refrigeración de invernaderos. Tecnología de Invernaderos II. Curso Superior de Especializa57


ción. 313-338. Eds. Pérez J., Cuadrado I.M., D.G.I.F.A, FIAPA y C. Rural. MONTERO, J.I., ANTÓN, A., KAMARUDDIN, R., BAILEY, B.J. 2001a. Analysis of thermally driven ventilation in tunnel greenhouses using smallscale models. Journal of Agricultural Engineering Research, in press. MONTERO, J.I., HUNT, G., KAMARUDDIN, R., ANTÓN, A., BAILEY, B.J. 2001b. Effect of ventilator configuration on wind driven ventilation in a crop protection structure for the tropics. Journal of Agricultural Engineering Research.

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MÉTODOS DE PROGRAMACIÓN DEL RIEGO Mª Dolores Fernández Fernández Estación Experimental ‘Las Palmerillas’ de Cajamar

Métodos de programación del riego

1- INTRODUCCIÓN La programación del riego es un conjunto de procedimientos técnicos desarrollados para predecir cuánto y cuándo regar. Los métodos de programación del riego se basan en: • Medida del contenido de agua en el suelo • Medida del estado hídrico de la planta • Medida de parámetros climáticos

2- MÉTODOS BASADOS EN LA MEDIDA DEL CONTENIDO DE AGUA EN EL SUELO Los sensores que miden el contenido de agua en el suelo permiten conocer cómo el cultivo va extrayendo el agua del suelo, de forma que el riego puede programarse para mantener un contenido de agua en el suelo entre dos niveles de humedad. La Figura 1 muestra la evolución del contenido de agua en el suelo durante varios ciclos de riego. El límite superior es fijado para evitar drenaje (Figura 1), y por tanto lavado de fertilizantes, y el límite inferior representaría el punto a partir del cual el cultivo sufre estrés hídrico (Figura 1). 71

) m 70 m (

drenaje

69

O L 68 E U 67 S L 66 E D 65 D A 64 D E 63 M U 62 H

riego estrés

61 4 /1 0

5 /1 0

6 /1 0

7 /1 0

8 /1 0

9 /1 0

1 0 /1 0

1 1 /1 0

1 2 /1 0

FECHA

Figura 1. Evolución del contenido de agua del suelo tras varios ciclos de riego.

61

M.ª D. Fernández

Los sensores más utilizados son:

• Tensiómetros El tensiómetro mide el esfuerzo que las raíces deben realizar para extraer la humedad del suelo (potencial matricial). Son sensores baratos y de fácil instalación, sin embargo no miden directamente el contenido de agua del suelo, además la relación entre el potencial matricial y el contenido de agua no es universal y difiere para cada tipo de suelo.

• Watermark Al igual que los tensiómetros, miden el potencial matricial, son baratos y fáciles de instalar. No está indicado su uso en suelos con alta porosidad y la temperatura del suelo interfiere en la medida en un 2 % por cada grado.

En el mercado también se puede encontrar sensores que miden directamente el contenido de agua en el suelo, tales como:

• TDR (Time Domain Reflectometry) La técnica de reflectometría en el tiempo (TDR) es un método que mide el tiempo de recorrido de un pulso electromagnético, que varía con el contenido de agua del suelo. A pesar de su precisión, presenta un alto coste y las medidas requieren tiempo, por lo que se emplea preferentemente en centros de investigación.

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• EnviroScan Un equipo está compuesto por varias sondas conectadas por cable a un datalogger donde se almacenan las lecturas. Cada sonda está compuesta de varios sensores colocados a distintas profundidades dentro de un tubo de PVC. El EnviroScan proporciona un gráfico que registra la evolución del contenido de agua en el suelo entre dos límites, permitiendo tomar la decisión de cuándo regar y cuánta agua aplicar. Permite realizar medidas continuas del contenido de agua en el suelo a distintas profundidades. Su uso se está implantado en fincas extensas de frutales y hortalizas al aire libre, sin embargo presenta un alto coste.

• Sbib (Self Balanced Impedance Bridge) Desde el año 1992 se está desarrollando en la Estación Experimental de Zonas Áridas (EEZA) del CSIC un sensor de bajo costo para la determinación del contenido volumétrico de agua y conductividad eléctrica. Las pruebas de laboratorio de los prototipos del nuevo sensor han dado resultados muy satisfactorios con distintos tipos de suelo, funcionando correctamente incluso con conductividades eléctricas del orden de 8 dS/m, manteniéndose estable en un amplio rango de temperaturas. El sensor es enterrable a distintas profundidades, de pequeño tamaño, y permite la medida continua de humedad, conductividad eléctrica y temperatura del suelo.

3- MÉTODOS BASADOS EN LA MEDIDA DEL ESTADO HÍDRICO DEL CULTIVO Estos métodos incluyen técnicas que miden directamente las pérdidas de agua de una parte de la planta, de la planta entera o de un grupo de plantas, o 63

M.ª D. Fernández

miden características relevantes de las plantas que facilitan la estimación de la transpiración. El estado hídrico del cultivo puede determinarse mediante la utilización de sensores como:

• Sensores de medida del diámetro de los órganos de la planta Son sensores que miden microvariaciones del diámetro de tallos y frutos. La evolución del diámetro de un órgano presenta dos componentes, una asociada con el crecimiento del órgano y otra con la pérdida de agua. El diámetro de los órganos vegetales presenta una evolución típica a lo largo del día, con un valor máximo, que se alcanza al final de la noche (período en el cual la hidratación de los órganos es máxima) y un valor mínimo, que se alcanza hacia mediodía. La diferencia entre ambos valores representa la pérdida máxima de agua que experimenta la planta a través de la transpiración. Una contracción diurna anormal indica la presencia de estrés hídrico en la planta.

Diámetro de tallo

Diámetro de fruto

Estos sensores dan información continua y en tiempo real del estado hídrico de la planta. Sin embargo, presentan una serie de inconvenientes como la identificación del componente asociado al crecimiento del órgano y el componente asociado a la pérdida de agua para cada especie y estado de desarrollo. Un déficit de oxígeno, niveles térmicos inadecuados en sustrato y salinidad muestran contracciones diurnas similares a las asociadas a una falta de agua.

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• Sensores de flujo de savia La base de estos sensores es aplicar una fuente de calor constante en la corriente de savia bruta o en su proximidad. La temperatura en las proximidades de esta fuente se ve perturbada más o menos, según la importancia del flujo de savia, y la pérdida de calor es directamente proporcional a este flujo. El flujo de savia es una medida directa de la transpiración y presenta una evolución típica a lo largo del día, alcanzando el valor máximo al medio día, cuando la radiación es máxima, y un mínimo durante la noche. Una evolución anormal durante el día, por ejemplo una caída en el flujo de savia cuando los valores de radiación son máximos, indica una situación de estrés hídrico. Estos sensores dan una medida directa de la transpiración en tiempo real. Los principales inconvenientes son su alto coste y la necesidad de contar con información de la radiación solar y déficit de presión de vapor (DPV), ya que éstos influyen directamente en la tasa de transpiración. La gestión óptima del riego sería aquella en la que se pudiese medir con precisión el consumo de agua del cultivo. Sin embargo, a pesar de los avances en electrónica, tanto los sensores de medida del contenido de agua en el suelo, como los de medida del estado hídrico del cultivo presentan un alto coste y requieren de personal especializado para su mantenimiento. Además, la utilización de estos sensores en la gestión del riego requiere que previamente se haya comprobado su adaptación al sistema de cultivo y elaborado un protocolo y recomendaciones de uso, como cúal es el número de sensores que se deben instalar, cuál es la localización más idónea dentro del invernadero, qué sensores se deben utilizar, cuáles son los umbrales para la gestión del riego, etc. Por ello, a corto plazo estos sensores no son fáciles de implantar como medida de rutina en la gestión del riego de una mayoría de invernaderos. Por

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M.ª D. Fernández

tanto, la programación de riego basada en parámetros climáticos puede ser adoptada más fácilmente por un gran número de agricultores.

4- MÉTODOS BASADOS EN PARÁMETROS CLIMÁTICOS Estos métodos se basan en la utilización de parámetros climáticos, que a partir de relaciones entre los parámetros climáticos y el estado de desarrollo del cultivo permiten estimar el volumen de agua consumido por el cultivo. En cultivos sin suelo con frecuencias de riego horarias o inferiores se requieren estimaciones de la transpiración muy precisas. En invernaderos del norte de Europa, equipados con sistemas de control climático y cultivo sin suelo, se han desarrollado modelos para estimar la transpiración en cultivos de tomate (Stanghellini, 1987; Boulard y Jemaa, 1993) y ornamentales (Bailey et al., 1993; Baille et al., 1994), basados en parámetros climáticos (radiación solar, déficit de presión de vapor) y propios del cultivo (índice de área foliar). La aplicación de estos modelos en otras zonas requiere que se contrasten las estimaciones, y en algunos casos será necesario realizar ajustes para adaptarlos a las nuevas condiciones climáticas. Medrano (1999) evaluó y adaptó el modelo desarrollado por Boulard y Jemaa (1993) a un cultivo de pepino en sustrato de perlita e invernadero de plástico en Almería. Para cultivos en suelo, donde la frecuencia de riego es menor y el suelo mantiene una reserva de agua, las estimaciones del consumo de agua del cultivo o ETc que proporciona el método de la FAO (Doorenbos y Pruitt, 1977) son bastante precisas: ETc = ETo ∗ Kc

Kc es el coeficiente de cultivo y representa la disponibilidad del cultivo y suelo para atender la demanda evaporativa de la atmósfera, y depende del cultivo en cuestión, su estado de desarrollo y disponibilidad de agua en el suelo. ETo es la evapotranspiración de referencia y cuantifica la demanda evaporativa de la atmósfera. La ETo bajo invernadero de plástico en Almería depende principalmente de la radiación solar (Fernández et al., 1994). Por tanto, se ajustó un modelo para estimar la ETo a partir de valores de radiación solar adaptado a nuestras condi66


ciones de cultivo. La principal ventaja de este modelo es su adaptación a diferentes invernaderos si se utilizan valores de radiación medida en exterior y la transmisividad de la cubierta del invernadero, que es función del tipo de cubierta, material de cubierta, encalado, edad del plástico, etc. Con este modelo es posible utilizar datos de radiación solar exterior medidos en estaciones meteorológicas próximas, ya que para una misma latitud la radiación que recibe una región es similar (Allen et al., 1998). La Figura 2 muestra la evolución diaria de la radiación solar y la transpiración de un cultivo de melón entutorado bajo invernadero en Almería durante un día soleado y un día nublado. Los sensores de flujo de savia se instalaron en la parte inferior del tallo principal para cuantificar la transpiración de toda la planta. Como se puede observar, la transpiración dependió de la radiación, reduciéndose drásticamente en un día nublado respecto a un día soleado. También se puede observar la alta sensibilidad de la transpiración a las variaciones de radiación (Figura 2). 80 0

80 0 Radiación solar

) 70 0 1 -

d

2 -

m

70 0

Transpiración

60 0

60 0

soleado

w ( 50 0 R A L 40 0 O S N 30 0 Ó I C A I 20 0 D A R 10 0

50 0 40 0 nublado 30 0 20 0 10 0

0

)

2 -

m c

1 -

h g (

N Ó I C A R I P S N A R T

0 0:00

4:00

8:00 12:00 16:00 20:00 0:00

4:00

8:0 0 12:00 16:00 20:00

HORA DEL DIA

Figura 2: Evolución a lo largo de un día nublado y un día soleado de la radiación solar y la transpiración de un cultivo de melón entutorado bajo invernadero (Datos cedidos por la Estación Experimental de Zonas Áridas, EEZA, CSIC).

Con el crecimiento del cultivo se produce un aumento de la superficie foliar, provocando que se incremente el consumo de agua del cultivo. La tasa de desa-

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M.ª D. Fernández

rrollo de un cultivo depende de las condiciones climáticas, en particular de la temperatura, y de la fecha de plantación (Allen et al., 1998). Así, cuando se cambia de fecha de siembra o plantación las condiciones climáticas también cambian, afectando al patrón de crecimiento y desarrollo del cultivo, lo que a su vez tendrá repercusión sobre el patrón de Kc. Resumiendo, el patrón de Kc de los cultivos hortícolas bajo invernadero depende de la temperatura, por lo que se desarrollaron dos modelos que relacionan los valores de Kc con el desarrollo a través de la temperatura (Fernández et al., 2001). Estos modelos permiten ajustar las estimaciones de la ETc a condiciones climáticas anormales o distintas fechas de plantación. Por tanto, las dosis de riego de cultivos hortícolas bajo invernadero en Almería se pueden conocer a partir de datos de radiación solar y temperatura (Fernández et al., 2001).

REFERENCIAS ALLEN, R.G., PEREIRA, L.S., RAES, D., SMITH, M. 1998. Crop evapotranspiration. Guidelines for computing crop water requirements. FAO Irrigation and Drainage. Paper 56. BAILEY, B.J., MONTERO, J.I., BIEL, C., WILKINSON, D.J., ANTON, A., JOLLIET, O. 1993. Evapotranspiration of Ficus benjamina: comparison measurements with predictions of the Penman-Monteith model and simplified version. Agric. and Forest Meteor. 65: 229-243. BAILLE, M., BAILLE, A., LAURY, J.C. 1994. A simplified model for predicting evapotranspiration rate of nine ornamental species vs. climate factors and leaf area. Scientia Horticulturae, 59(3-4): 217-232. BOULARD, T., JEMAA, R. 1993. Greenhouse tomato crop transpiration model application to irrigation control. Acta Horticulturae, 335: 381-387. DOORENBOS, J., PRUITT, W.O. 1977. Las necesidades de agua de los cultivos. FAO Riego y Drenaje, nº24. FERNÁNDEZ, Mª D., ORGAZ, F., VILLALOBOS, F., LÓPEZ-GÁLVEZ, J. 1994. Evaluación de métodos de cálculo de la evapotranspiración de referencia bajo condiciones de invernadero en Almería. XII Jornadas Técnicas sobre Riegos. Comunicaciones B.2: 63-69. FERNÁNDEZ, Mª D., ORGAZ, F., FERERES, E., LÓPEZ, J.C., CÉSPEDES, A., PÉREZ, J., BONACHELA, S., GALLARDO, M. 2001. Pro-

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gramación del riego de cultivos hortícolas bajo invernadero en el sudeste español. Edita Cajamar (Caja Rural de Almería y Málaga), Almería (Es paña). 78 pp. MEDRANO, E. 1999. Gestión de riego en cultivo de pepino “ Cucumis sativus L.” en sustrato: evaluación de la transpiración durante la ontogenia. Tesis doctoral. Universidad Politécnica de Madrid. STANGHELLINI, C. 1987. Transpiration of greenhouse crops. An aid to climate management. Ph. D. Dissertation, Agricultural University, Wageningen: XVIII+150 pp.

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UTILIZACIÓN DE MODELOS PARA EL CONTROL Y LA AYUDA A LA DECISIÓN EN INVERNADEROS. SITUACIÓN ACTUAL Y PERSPECTIVAS Alain Baille, María González-Real Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica. Universidad Politécnica de Cartagena

Utilización de modelos para el control y la ayuda a la decisión en ...

RESUMEN La modelización del funcionamiento de los agrosistemas de producción hortícola ha experimentado un considerable progreso en los últimos años. Se dispone hoy en día de herramientas de simulación (modelos informáticos) que permiten predecir el comportamiento de las diferentes componentes que integran el agrosistema “invernadero” (estructura, clima, cultivo y suelo) y sus interacciones. Una vez se define el objetivo que persigue la simulación (diseño, control en tiempo real, ayuda a la decisión), este tipo de herramientas puede ser muy útil en aplicaciones de diseño de estructuras de invernaderos, de control del medio ambiente (climatización, riego, fertilización) y de manejo del cultivo (elección de la fecha y de la densidad de plantación, tipo de poda, etc.). En esta ponencia, se presenta la situación actual y las perspectivas que pueden ofrecer los modelos de simulación en materia de control y de ayuda a la decisión.

1- INTRODUCCIÓN En los sistemas modernos de producción hortícola, los cultivos protegidos se diferencian de los cultivos al aire debido a que requieren: (1) un nivel elevado de inversión inicial (estructuras, equipos de climatización, de riego, de fertilización, de enriquecimiento en CO2, etc.); (2) un nivel elevado de insumos, ya sea de componentes físico-químicos (energía fósil, agua, abonos, productos fitosanitarios, etc.) o bien humanos (mano de obra); (3) una tecnología asociada (autómatas, ordenadores, robots de manutención, maquinaría) que exige una formación específica del horticultor y un manejo adecuado del sistema de producción. En contrapartida, los cultivos bajo invernadero ofrecen al horticultor la ventaja de poder controlar parte o la totalidad de los factores medioambientales y de poder optimizar, a corto, medio o largo plazo, la productividad y la calidad de la producción en función de los criterios técnico-económicos establecidos. Sin embargo, la optimización global del sistema de producción es compleja, debido a la multiplicidad de factores y de parámetros que entran en juego en los procesos de producción (Challa, 1988). Para alcanzar una gestión idónea, que

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A. Baille, M. González-Real

cumpla con los objetivos y los criterios del productor, es necesario disponer de sistemas de control y de ayuda a la decisión que asistan a los productores en la elección óptima de las consignas medio ambientales (clima, fertilización), en las intervenciones culturales (“itinerarios técnicos”) y en la planificación de los cultivos (Baille et al., 1990). En lo que sigue, después de presentar una breve reseña del nivel tecnológico de la horticultura protegida en España, se revisan los avances científicos y tecnológicos de los últimos años en el campo de la modelización y de sus aplicaciones al control del medio ambiente y al manejo de los cultivos bajo invernadero.

2- LA TECNOLOGÍA DE LOS INVERNADEROS EN ESPAÑA España es el país de la UE que posee la mayor superficie de invernaderos (45.000 ha) dotados, en general, de estructuras ligeras y con escaso medios de control del clima. La estructura más popular sigue siendo el invernadero tipo “parral”, desarrollado en la región de Almería en los años 60. Sin embargo, se aprecia actualmente una tendencia hacia la mejora de las estructuras existentes (Castilla et al., 1989; Castilla, 1994; Montero y Antón, 1994; Pérez Parra, 1998) y una implantación progresiva de sistemas automatizados de control de clima y de fertirrigación. En lo que atañe al control climático, los agricultores muestran en España un interés creciente por el control del medio ambiente, con la consiguiente inversión en equipamientos de clima y de fertilización. Este interés se puede observar en regiones como Almería y Murcia, que están adoptando una automatización progresiva del sistema de ventilación de invernaderos tipo “parral” o multicapilla, así como la utilización de sensores climáticos. Sin embargo, el control asociado a estos sistemas y los algoritmos de regulación implementados siguen siendo bastante rudimentarios. El control climático es sin duda una de las asignaturas pendientes de los invernaderos del sudeste español y, en general, de las regiones de clima cálido. En estas regiones, la escasez de medios de control induce situaciones prolongadas de estrés térmico y/o hídrico que limitan, muchas veces, el potencial de producción y la calidad de la cosecha. Dentro de este contexto, debe de plantearse la alternativa de implementar, en los sistemas de producción de cultivos protegidos, los medios adecuados de control climático. Esta alternativa exige que los productores dispongan de los equipamientos básicos para realizar

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el control (ventilación, nebulización, pantalla de sombreo). También requiere que adquieran el conocimiento y el “know-how” necesarios para llevar a cabo una gestión óptima de los equipamientos. Este último aspecto es primordial, ya que implica una mejor formación técnica de los productores, que redundará en un mejor aprovechamiento de los equipamientos y de la tecnología asociada. Las herramientas de automatización (algoritmos de control) y de ayuda a la decisión serán la base indispensable para alcanzar este objetivo, debido a la complejidad de los procesos en interacción entre el clima (interior y exterior) y el cultivo, en un medio confinado como es el invernadero. Un problema similar se plantea cuando se aborda la fertirrigación, ya que exige una optimización de los aportes de agua y de elementos minerales, basada en la previsión de la demanda de la planta que depende, en parte, del clima. Por lo tanto, dada la evolución que se viene observando en los invernaderos tipo “parral”, se puede prever que, a más o menos largo plazo, se adopten en este tipo de invernaderos mejoras y nuevas tecnologías, sin que lleguen a perder parte de sus características más originales. Esta evolución tecnológica es ineludi ble, ya que permitirá disponer de un sistema de producción más moderno y competitivo.

3- ENFOQUE DEL SISTEMA ORIENTADO A LA PRODUCCIÓN EN INVERNADERO. 3.1. Jerarquía del proceso de decisión El invernadero es, como todo sistema de producción agrícola, un sistema biofísico que transforma entradas (energía solar, CO2, agua y fertilizantes) en salidas de productos cosechados (frutos, hortalizas, flores, etc.). El proceso de producción agrícola es una función compleja de varios procesos fisiológicos en interacción (transpiración, fotosíntesis, crecimiento y desarrollo) que difieren en su tiempo de respuesta y que reaccionan de manera diferente respecto al medio ambiente. Esto explica que, como todo sistema intrincado, el invernadero se divida en subsistemas que se caracterizan por una jerarquía de control y de decisión (Udink ten Cate et al., 1984). En un sistema jerarquizado los subsistemas guardan una estructura ordenada, en la que las variables de salida de un

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subsistema inferior corresponden a las variables de entrada del subsistema inmediatamente superior. Cuando el sistema de producción se aborda a partir de este enfoque global, es preciso integrar herramientas de modelización, bases de conocimientos y reglas de decisión. La producción bajo invernadero se considera entonces dividida en un conjunto de subsistemas, comunicados por un flujo continuo de informaciones y de decisiones de control (Figura 1). En general, se consideran tres subsistemas (Baille et al., 1990): - el subsistema “invernadero/microclima” que corresponde al primer nivel de control (o nivel 1); - el subsistema “cultivo a corto plazo” en el que se integran los procesos y reacciones fisiológicas que operan a corto plazo. Todos estos procesos y reacciones presentan una constante de tiempo inferior a 1h (ya sea una respuesta casi instantánea: fotosíntesis; o bien una respuesta algo más lenta: transpiración) y se sitúan en el segundo nivel de control (o nivel 2); - el subsistema “cultivo a largo plazo” en el que se integran los procesos que intervienen a medio o largo plazo con una constante de tiempo superior a 24 h (por ejemplo, las fases de desarrollo del cultivo). Estos procesos se sitúan en el tercer nivel de control (o nivel 3). Cada uno de estos subsistemas está asociado a: - una escala temporal que representa la respuesta del proceso que se debe controlar a las perturbaciones exteriores; - un nivel de control de la decisión; - un orden jerárquico. El orden jerárquico asociado a los subsistemas se estructura como sigue: • un nivel de control superior (nivel 3) en el que se engloba el objetivo de producción planteado a largo plazo. Este objetivo viene impuesto por los imperativos de la infraestructura existente, el calendario cultural, la situación del mercado, etc. Las variables de salida (fecha de floración, inicio de la cosecha, rendimiento) pueden integrarse en modelos económicos que tienen como finalidad evaluar los beneficios que cabe esperar del cultivo, en función de la estrategia adoptada (cultural y climática) y de la situación del mercado. Las decisiones que se toman a este nivel son de tipo “estratégico”. 76


acciones

informaciones

Nivel de control PERTURBACION

INVERNADERO

Clima

⇒

1 informaciones

Procesos a corto plazo

2

Crecimiento diario

⇒

Procesos a largo plazo

informaciones Nivel de control

CULTIVO

Crecimiento Desarrollo

⇒

informaciones

Nivel de control

informaciones

3 informaciones

Procesos

Objetivo : beneficio

Rendimiento

Figura 1. El proceso de producción bajo invernadero: un sistema jerarqui zado

• un nivel de control inferior (o nivel 1), orientado a mantener bajo invernadero las consignas climáticas establecidas, basándose en informaciones de sensores de tipo físico o fisiológico. Este nivel de control ya se realiza en los invernaderos modernos, puesto que la mayor parte de las firmas comerciales proponen algoritmos de regulación que funcionan correctamente. En este nivel, las decisiones que se toman son “en tiempo real o de tipo “operacional”. • un nivel de control intermedio (o nivel 2) en el que se definen las consignas que hay que aplicar en el nivel inferior (nivel 1) a corto y medio plazo (hora, día). 77


El objetivo principal de este control es el tratamiento elaborado de la información bruta que dan los sensores. Este tratamiento puede abordarse con relaciones empíricas sencillas o bien por medio de modelos de simulación de las interacciones que se establecen entre el clima y la respuesta fisiológica del cultivo. En este último caso, la información bruta que se obtiene de los sensores (nivel 1) se expresa a través de una respuesta fisiológica (e.j. variación de la temperatura de la planta) o bien cuantificando la variable de flujo que se desea controlar (e.j. la tasa de transpiración o de fotosíntesis, el consumo de energía). Las decisiones que se toman a este nivel son de tipo “táctico”. Actualmente, son escasos los sistemas comerciales que integran este nivel de control. 3.2. Los procesos a modelizar La optimización técnico-económica de los procesos de producción agrícola se basa generalmente en el enfoque orientado “sistema” que necesita herramientas de simulación del agrosistema estudiado. Este enfoque se ha aplicado en los años 70 a los cultivos extensivos (trigo, soja, algodón, maíz, etc.), utilizando modelos que simulan el funcionamiento de los tres principales componentes del sistema “Suelo, Planta y Atmósfera” (o sistema “SPA”, figura 2).

ATMÓSFERA

H2O, CO2, Natm Energía

H2O CO2 Energía

CULTIVO H2O, Elementos minerales

SUELO

= Intercambios de energía y de materia

Figura 2. Los componentes del sistema SPA.

Dado que cada componente del sistema está en interacción con los otros dos, esto obliga a formular de manera explícita las interacciones. El avance de los conocimientos científicos sobre la respuesta de los cultivos a las condiciones 78


climáticas y edáficas ha permitido elaborar modelos globales y realistas del funcionamiento del sistema SPA (Wit et al., 1972). Estos modelos se han ido perfeccionando con el tiempo, sobre todo la parte que atañe al funcionamiento del cultivo. Así, han aparecido en los años 90 los primeros modelos de cultivos hortícolas, siendo el tomate (Tomgro: Jones et al., 1991, Tomsim: Heuvelink, 1996) la especie más estudiada. En la actualidad se dispone de modelos para otras especies, como el pepino (Marcelis, 1994) y la lechuga (Tourdonnet, 1998). Se puede encontrar una síntesis de los modelos actualmente disponibles en un estudio de Gary et al. (1998). El objetivo de gestión global de un agrosistema requiere, además de un modelo de cultivo, un modelo de comportamiento físico del invernadero capaz de predecir la variación temporal del clima interior en función del medio exterior y de la estrategia de climatización adoptada. En ambos casos, los modelos deben de adaptarse a la escala temporal de cada nivel de decisión. Las salidas de los modelos tienen que simular los procesos implicados de manera realista. Por ejemplo, los niveles 1 y 2 requieren modelos que predicen el comportamiento físico del invernadero y modelos fisiológicos que simulen los intercambios gaseosos (transpiración, fotosíntesis) y los parámetros asociados (p. e.: la conductancia estomática). En el nivel 3, se necesitan modelos de funcionamiento del cultivo, en los que se integra la descripción de los procesos de crecimiento en masa, de desarrollo y de elaboración del rendimiento. 3.3. El modelo de decisión del agricultor En este enfoque integrado, tanto la lógica como las reglas de decisión que adopta el agricultor tienen una importancia capital. La integración de un subsistema de decisión o modelo de “decisión-acción” tiene como objetivo evaluar las intervenciones del ser humano en el subsistema biofísico (Figura 3). Este tipo de modelización, de tipo heurístico (e.g. sistemas expertos) se basa en técnicas de inteligencia artificial (Martin-Clouaire et al., 1996). Estas técnicas se han desarrollado, con más o menos éxito, a lo largo de la última década en cultivo al aire libre, y algunas aplicaciones se han desarrollado también en cultivos protegidos (Martin-Clouaire et al., 1996).

4- CONTROL BASADO EN MODELOS Los ordenadores de clima 79


El uso de ordenadores de control climático ha aumentado paulatinamente desde los años 80. Por ejemplo, el 75 % de las explotaciones de Holanda dis ponían, en 1995, de ordenadores (Bakker, 1995) con algoritmos de control de tipo clásico (e.j. PID). La tendencia que se observa en la actualidad apunta, sobre todo, hacia la mejora de los algoritmos de control que integren nuevas técnicas de optimización basadas en la utilización de modelos (Camacho y Bordons, 1995). En el caso del clima, estos modelos tienen que aportar una descripción y predicción realistas de la respuesta del cultivo y del comportamiento físico del invernadero, en respuesta a una acción sobre un determinado equipamiento de climatización (calefacción, ventilación, nebulización). Se ha demostrado también que la gestión del clima debe de apoyarse en algoritmos de control que tomen en cuenta el estado fisiológico del cultivo y su retroacción (o “feedback”) con el clima del invernadero (Jarvis, 1985; Aubinet et al., 1985; González-Real, 1995; Baille, 1997, González-Real y Baille, 2000). CLIMA EXTERIOR SISTEMA BIOFÍSICO MICROCLIMA

Transferencia de energía y de masa

Controles internos

CULTIVO

SUELO Información

Decisión SISTEMA DE DECISIÓN Reglas de decisión Base de datos

Flujo de información y decisión Controles externos (productor, ordenador)

Base de conocimientos

ENTORNO SOCIO-ECONÓMICO

Figura 3. Sistema biofísico (invernadero + cultivo) y sistema de decisión (productor y/o ordenador). 80


En la mayoría de los invernaderos, los sistemas de control son de tipo analógico o bien incluyen algún tipo de control digital, basado en controladores PI o PID. Este tipo de controladores no son muy adecuados cuando se trata de un control multi-variables en sistemas que presentan, como los invernaderos, una dinámica compleja. A los largo de los últimos años, se han llevado a cabo varios intentos de desarrollar y de validar sistemas de control del clima basados en modelos. Cabe destacar, entre otros, los trabajos relativos al control óptimo (van Henten, 1989; Challa y van Straten, 1993; Seginer y Sher, 1993; Chalabi y Zhou, 1996), o los que utilizan algoritmos de optimización de tipo heurístico (Martin-Clouaire et al., 1996). Generalmente, la calidad de este tipo de control depende de la fiabilidad de las predicciones que dan los modelos (Camacho y Bordons, 1995). En España esta problemática se ha abordado recientemente en un proyecto CICYT, a partir de la elaboración de modelos orientados al control (clima del invernadero, tasa de transpiración de cultivos de rosas) y la evaluación de un índice de estrés del cultivo (Baille, 1992; González-Real y Baille, 2000) como criterio de optimización. Cuando el control se apoya en un modelo de simulación de un proceso se pueden prever las salidas útiles para el control. Por ejemplo, se puede prever la temperatura del aire del invernadero, la temperatura del sistema de calefacción o bien la tasa de ventilación que exige el mantenimiento de una consigna determinada, en función de las perturbaciones exteriores al sistema (radiación solar, velocidad del viento, etc.). De este modo, se facilita el cálculo de ciertas varia bles de estado o flujos internos al sistema (e.j. la tasa fotosintética o la tasa de transpiración del cultivo). Otra diferencia importante con los sistemas de control comerciales es que las predicciones de los modelos pueden utilizarse para anticipar las acciones de control. En efecto, en un sistema comercial de control, la respuesta que ejerce en una salida una perturbación que interviene al tiempo t, solamente podrá medirse al tiempo t+∆t, siendo ∆t el tiempo de respuesta del conjunto sistema + sensor. Es obvio que el hecho de poder anticipar la respuesta por medio de un modelo conllevará una regulación más fina. Otra ventaja importante es que se puede optimizar, en tiempo real, la consigna asociada a la salida que se quiere controlar. Es decir, en función de las condiciones exteriores impuestas al sistema se puede determinar el valor de la variable de salida que va a optimizar un determinado criterio. Por ejemplo, se pueden 81


calcular los valores de las variables climáticas que maximizan la tasa de transpiración o de fotosíntesis, o bien que minimizan un índice de estrés.

Modelización y optimización del clima en invernadero. Actualmente existe un cierto número de modelos capaces de simular la interacción entre las variables climáticas y los procesos fisiológicos (transpiración, fotosíntesis, etc.) que pueden aplicarse a especies hortícolas y ornamentales (Baille et al., 1994, 1996a, 1996b). La ventaja esencial es que pueden dar acceso a un juego de consignas de clima capaces de anticipar el impacto que ejerce una acción sobre los medios de climatización en el proceso estudiado. Dentro de este aspecto, la modelización de la tasa de ventilación del invernadero es una herramienta esencial del control del clima, ya que toda acción sobre el nivel de apertura de la ventana modifica a la vez varias variables de salida (tem peratura, humedad relativa y concentración en CO2 del aire). La ventilación de un invernadero es sin duda la función clave del control del clima en regiones cálidas. En los últimos años, los conocimientos en materia de ventilación han experimentado un progreso significativo. Se dispone ahora de modelos semi-empíricos que permiten predecir la tasa de ventilación, su relación con la apertura de la ventana y la velocidad del viento en diferentes tipos de invernaderos (Fernández y Bailey, 1992; Boulard y Baille, 1995; Kittas et al., 1995, Muñoz et al., 1999). Actualmente, equipos de investigación españoles están trabajando en la caracterización de la tasa de ventilación de invernaderos tipo “parral”, la estructura más popular en el Sur de España (Pérez Parra, 1998). Estos estudios han aportado un mejor conocimiento de la tasa de ventilación, lo que conlleva una mejora en la predicción del clima que proporcionan los modelos de balance de energía y de masa del invernadero (Boulard y Baille, 1993; Navas, 1996).

Caracterización y modelización de los flujos fisiológicos La vinculación (“coupling factor”: Jarvis, 1985) que se establece bajo invernadero entre el clima y el cultivo, a través de la conductancia foliar total (estomática y aerodinámica), es un aspecto fundamental del control climático (Baille, 1997). La determinación de estas dos conductancias es necesaria para estimar los flu jos de transpiración (Baille et al., 1994a) y de fotosíntesis (Giaglaras et al., 1995).

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De manera clásica, el flujo de transpiración se estima con la formula de PenmanMonteith (Monteith, 1963, Baille et al., 1992, 1994a), que exige se determine cómo actúan el clima y ambas conductancias en el control del flujo. Actualmente, se conoce la respuesta de la conductancia estomática a las variables climáticas en muchas especies hortícolas (Nederhoff et al., 1992, Lorenzo et al., 1998) y ornamentales (Baille et al., 1994b,c). Sin embargo, la influencia que ejerce la tasa de ventilación sobre la conductancia aerodinámica, variable clave de los intercambios de energía y de masa entre el vegetal y el medio ambiente, no ha sido muy abordada en invernaderos. La falta de conocimientos acerca de las variaciones que induce en la conductancia aerodinámica la tasa de ventilación es actualmente uno de los problemas pendientes en el manejo de la ventilación (Baille, 2000).

Modelos para el control del riego y de la fertilización El control del riego y de la fertilización implantado en los equipos comerciales se basa en mantener un juego de consignas (dosis, frecuencia de riego, com posición de la solución nutritiva), asignando a éstas un valor fijo durante largos períodos (varias semanas) que es independiente de la respuesta fisiológica del cultivo. A esta limitación hay que añadir las relativas al cálculo de la dosis y de la frecuencia de riego, que se evalúan, en general, de forma totalmente empírica, sin tener en cuenta el tipo de suelo/sustrato ni la especie cultivada. Esto explica que actualmente el control de la fertirrigación repose, en parte, en la destreza del agricultor que observa, decide y actúa sobre el nivel de las consignas de riego de fertilización (pH, electroconductividad, concentración de iones, etc.). Lógicamente, este nivel de observación y de decisión no permite prever las variaciones temporales inherentes al clima y a la respuesta fisiológica de la planta, ya que éstas exigen un control en tiempo real, especialmente en los cultivos sin suelo. Esta problemática es bastante común en los cultivos sin suelo dotados, en gran parte, de un control empírico del riego, con un escaso nivel tecnológico (e. g. relojes programables), lo que exige que el agricultor decida la dosis y la frecuencia del riego. Existe actualmente una base relativamente amplia de conocimientos relativa a la estimación de la demanda hídrica (transpiración potencial) de especies cultivadas bajo invernadero. Se utilizan desde hace años modelos de

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evapotranspiración, basados en la ecuación de Penman-Monteith, para estimar las necesidades hídricas del cultivo y programar el riego de manera racional. Sin embargo, en lo que atañe a la alimentación mineral, subsisten aún numerosas lagunas, inherentes a la falta de conocimientos científicos y de modelos de previsión de la demanda mineral. Esto explica que se utilicen reglas de composición y de ajuste de la solución nutritiva totalmente empíricas, que pueden ser válidas a largo plazo (mes), pero que no permiten ajustar la oferta y la demanda mineral a una escala temporal más corta (día, horas). Esta situación conlleva un aporte pletórico de agua y de nutrientes, con consecuencias medio ambientales negativas. Algunos modelos actualmente disponibles de estimación de la demanda mineral (Caloin y Yu, 1986; Scaife, 1989; Le Bot et al., 1998; Cardenas-Navarro et al., 1998) pueden dar lugar a herramientas operacionales de control y de ayuda a la decisión en materia de fertilización. El principal escollo reside en su validación bajo condiciones especificas de invernadero, debido a la diversidad de tipos de suelo, de sustrato y de especies cultivadas.

5- LOS SIMULADORES DE FUNCIONAMIENTO DE CULTIVOS Cuando se trata de tomar decisiones de tipo estratégico o de nivel 3 (e.j. ‘planning’, elección de equipamientos), se necesitan modelos de cultivo que incluyan los procesos que operan a largo plazo. Estos modelos han alcanzado un nivel de robustez que permite su integración en sistemas de ayuda a la decisión. Existen actualmente varios sistemas de ayuda a la decisión aplicables a cultivos extensivos (trigo, algodón) y algunos se están desarrollando para los cultivos de invernaderos. La Figura 4 muestra un ejemplo de la estructura de un simulador genérico de cultivo (STICS, INRA-Francia). Con este tipo de simuladores se pueden evaluar las consecuencias de las prácticas de cultivo (riego, fertilización, densidad de plantación, trabajo del suelo) sobre varias salidas del sistema de producción (rendimiento, consumo de agua y de fertilizantes, lixiviación, etc.). Estas salidas se pueden integrar en un sistema de ayuda a la decisión para planificar el cultivo, elegir el método de riego, el equipamiento de las parcelas, etc. En cultivos hortícolas protegidos existe un simulador de cultivo de tomate (”Simulserre”, Gary et al., 1998) cuyas salidas también se pueden aplicar a un objetivo de toma de decisión estratégica.

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Desarrollo Técnicas culturales

Crecimiento aéreo Elaboración del rendimiento Interfase: técnicas de cu ltivoplanta-suelo Crecimiento raíces Balance H 2O

Balance N

Transferencia agua, nitratos, energía Figura 4. Compartimentos de un modelo de sistema de cultivo (Simulador STICS).

6- CONCLUSIÓN La evolución de las exigencias tecnológicas de las empresas hortícolas modernas exige que se priorice el desarrollo de programas I+D lo que redundará, a medio o largo plazo, en una optimización del control y de la gestión de los invernaderos. Este desarrollo requiere un esfuerzo en la puesta a punto de modelos, de algoritmos y de software específicos de las tareas de control y de ayuda a la decisión. En las condiciones actuales del mercado nacional y comunitario (ampliación de la UE y apertura de sus mercados como consecuencia del GATT), el agricultor tiene que mantener la competitividad de su empresa y utilizar eficazmente nuevas tecnologías (cultivos fuera de suelo, técnicas de riego y de fertilización, control automatizado del clima bajo invernadero), que son hoy día de uso corriente en las explotaciones modernas del Norte de Europa. Esta evolución es necesaria si los productores quieren mantener la rentabilidad de sus sistemas de producción a lo largo del año. Además, las exigencias del consumidor hacia

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productos de mayor calidad y una agricultura respetuosa del medio ambiente van a propiciar cambios notables en la estrategia de producción bajo invernadero. El productor deberá entonces tener en cuenta estos criterios de calidad en el manejo del agrosistema. Dentro de este contexto, la optimización de la producción bajo invernadero tendrá que apoyarse en la aplicación de modelos eficientes de control del clima y de simulación del comportamiento del cultivo, siendo este requisito compatible con los objetivos que se plantea el agricultor de rendimiento y calidad de la producción. La optimización del sistema de producción bajo invernadero permitirá también reducir las entradas del sistema (energía, agua y fertilizantes) y, por ende, limitar la contaminación del medio ambiente. Esta meta de gestión razonada de los cultivos protegidos se justifica plenamente dentro de las prioridades nacionales para alcanzar una agricultura sostenible. Este objetivo estratégico es especialmente relevante para el futuro y la competitividad de la horticultura protegida del Sudeste español, debido a que se trata de anticipar una tendencia, ya bien establecida en el mercado, hacia productos de calidad disponibles todo el año. Las empresas que cumplan estos objetivos de producción, gracias a sistemas de control y de gestión eficaces del medio ambiente y del cultivo, podrán consolidar sus posiciones y ganar cuotas de mercado.

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Breve reseña histórica de la Estación Experimental de CAJAMAR ‘Las Palmerillas’. Las ayudas que con motivo de las inundaciones de 1973 se dieron a Almería contribuyeron a renovar las infraestructuras productivas del campo, sobre todo de los cultivos hortícolas intensivos. Parte del dinero que se recibió lo gestionó la Caja Rural, que durante la campaña 1973/74 hizo una gran labor de atención y ayuda a los agricultores damnificados, teniendo que recurrir incluso a fondos de otras Cajas Rurales. Al cierre del ejercicio de 1974 hubo beneficios y se planteó la cuestión de cómo hacer este retorno cooperativo. En la Asamblea de 1975 se plantearon varias propuestas, una de ellas abogaba por hacer un fondo destinado a crear fincas experimentales donde ensayar y estudiar nuevos materiales, técnicas y sistemas que pudieran aportar soluciones a los problemas de la agricultura provincial. Éste era el hermoso proyecto de la Caja Rural, que ilusionó a todos, por lo que comenzó la búsqueda inmediata de los emplazamientos de tales fincas, que debían reunir unas determinadas condiciones: respecto a clima, suelo, agua, estar bien localizadas en las diferentes zonas agrícolas, etc. En el año 1975 se adquirieron tres fincas, una situada en el Campo de Dalías, orientada a los cultivos hortícolas bajo invernadero, denominada Las Palmerillas, que tenía una cabida de 6 hectáreas. Otra en la vega de Rioja, destinada a ser un campo de variedades de agrios injertados en diversos pies tolerantes al virus de la ‘tristeza’, llamada El Duende, con una superficie de 3 hectáreas. Y por último la finca El Almendral, de más de 4 hectáreas, situada en El Saltador de HuércalOvera, para plantaciones de variedades de almendro y otros frutales de hueso, siendo los más destacables melocotón de carne dura y blanda, nectarina y ciruelo. Al año siguiente, en 1976, se hizo la ampliación de la finca experimental Las Palmerillas, llegándose a su superficie actual de 14 hectáreas. Esta ampliación se

realizó para atender las demandas que surgían desde todos los sectores de la agricultura almeriense, y poder dar cabida también a cultivos como uva de mesa, cítricos, subtropicales, frutales de hueso y pepita o níspero. También en este año, se adquirió la finca La Molinilla, situada en la carretera que une Las Norias y La Mojonera, localizada en uno de los parajes más fríos de la zona de Poniente, que es lo que se pretendía, para estudiar el comportamiento, ante las bajas temperaturas y las heladas, de los plásticos térmicos. En la Estación Experimental Las Palmerillas, que es la única que se mantiene en la actualidad, ya que las otras cumplieron su cometido, la primera plantación que a la vez era el primer ensayo que se planteaba, se hizo el día 4 de noviembre de 1975. El ensayo consistía en la comparación de diferentes variedades de berenjena, para conocer su comportamiento productivo, precocidad, calidad del fruto y rendimiento económico. Los trabajos de la Estación, siempre en el ámbito de la investigación aplicada y el desarrollo experimental, han girado en torno a los cultivos de mayor interés para Almería. Dentro del área de la fruticultura, los frutales de hueso, los cítricos, la adaptación de especies subtropicales y muy especialmente la uva de mesa. En el área de la horticultura todas las especies de interés económico de Almería han sido objeto de trabajo en la Estación, destacando la evaluación de nuevas variedades, los aspectos físicos del invernadero (estructuras, materiales y gestión del clima), y muy intensamente los aspectos relacionados con el uso del agua en los invernaderos (necesidades de agua de los cultivos, sistemas de aplicación y programación de riegos). La meteorología, que tanto influye en la actividad agraria, se convirtió desde el principio en uno de los temas de estudio en las fincas experimentales. La colección de datos recogidos desde el principio hasta nuestros días constituye uno de los activos más valiosos acumulados en este cuarto de siglo. Otro aspecto al que se ha dado gran importancia ha sido la difusión de los resultados de los trabajos realizados. En estos 25 años hemos recibido la visita de unas 50.000 personas, de las cuales un 35% han sido agricultores. Del total de visitas un 20% han sido internacionales, fundamentalmente procedentes de países Latinoamericanos.

Esta difusión de resultados se ha completado, además de con nuestra participación en diversos foros especializados tanto nacionales como internacionales, con la publicación de 340 trabajos técnicos técnico s y científicos. Otro dato que refleja la evolución de la actividad de la Estación lo encontramos en la evolución de la plantilla, de las diez personas que iniciaron la actividad en 1975 (dos técnicos y ocho auxiliares de campo), se ha pasado a las sesenta personas personas que en la actuali actualidad dad trabajan trabajan en la Estació Estaciónn (diecis (diecisiete iete técnico técnicos, s, veinveintiocho auxiliares de campo y quince becarios en formación).

Tecnologia Aplicada en Invernaderos

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