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Sistemas sostenibles para el control de clima bajo invernadero

Sistemas sostenibles para el control de clima bajo invernadero

El Centro IFAPA La Mojonera lleva más de 30 años trabajando en innovación y experimentación en cultivos hortícolas bajo invernadero

 

El martes 28 de septiembre, en el encuentro semanal de “CHARLAS EN LA BIBLIOTECA” contamos con el Grupo de Investigación Ingeniería y Tecnología de Invernadero del centro IFAPA La Mojonera, Almería

 

22.09.2021 – INFORMACIÓN
El Centro IFAPA La Mojonera lleva más de 30 años trabajando en innovación y experimentación en cultivos hortícolas bajo invernadero, abordando temas relacionados con la gestión del riego y la nutrición en cultivos en sustrato, así como con la mejora de las condiciones climáticas dentro de las estructuras de cultivo.

Investigadora Titular del IFAPA, María Cruz Sánchez-Guerrero Cantó

Es por ello, que en el 23º encuentro de “CHARLAS EN LA BIBLIOTECA”, hemos contado con la presencia de María Cruz Sánchez-Guerrero Cantó, Investigadora Titular del Instituto de Investigación y Formación Agraria (IFAPA) quien nos ha comentado sobre las líneas de investigación que llevan actualmente desde el Centro IFAPA La Mojonera relacionados a sistemas sostenibles para el control de clima bajo invernadero.


Uso eficiente del agua y fertilizantes en cultivos en sustrato

Los trabajos realizados en esta línea se han dirigido a un uso racional del agua y los fertilizantes, adecuando el aporte a las necesidades del cultivo y evaluando estrategias respetuosas con el medio ambiente. Esta línea de investigación se inició a principios de los 90 coincidiendo con la expansión del cultivo en sustrato en los invernaderos de Almería y Murcia. Dado que los cultivos en sustrato tienen una disponibilidad de agua menor que los cultivos en suelo, es muy importante adecuar el aporte hídrico a las necesidades de los cultivos a lo largo del día, en este sentido se desarrollaron modelos predictivos que permiten estimar las necesidades de los cultivos en función de las variables climáticas radiación solar y humedad en tiempo real para su aplicación en la gestión del riego. Así mismo se ha trabajado en sistemas de reutilización de lixiviados para aumentar la eficiencia del uso del agua y de los fertilizantes y se han publicado estudios que demuestran un ahorro del agua entre un 20 y 30% y un ahorro de fertilizantes del orden del 50% frente a sistemas de cultivo en sustrato sin reutilización de lixiviados.

Las actuales líneas de trabajo se han centrado en la búsqueda de estrategias para la reducción de emisión de nitratos al medio, la sensorización de los sistemas de cultivo en sustrato y la incorporación de nuevos cultivos en sustrato bajo invernadero como es el caso de la higuera.

En cuanto a la reducción de emisiones de nitratos procedentes de los lixiviados, una forma de reducir dicha contaminación es la reutilización de los lixiviados en los sucesivos riegos, pero dado el contenido en el agua de riego de sodio, cloro y sulfatos cuya tasa de absorción por el cultivo es muy baja obliga a sucesivos descartes debido a su acumulación en la solución recirculante, a estos sistemas se les denomina semi-cerrados. En este sentido se ha evaluado la estrategia del cese de aporte de fertilizantes los días previos a los sucesivos descartes, cuyo resultado ha sido una reducción de emisiones de nitratos del 60% en cultivos de tomate y pepino, sin que este cese intermitente del aporte de fertilizantes haya afectado tanto a la producción como a la calidad de fruto.

Otro método de evitar la contaminación por nitratos del medio por el vertido de lixiviados es el tratamiento de dichos vertidos mediante sistemas de lagunaje artificial. La desnitrificación heterótrofa es el proceso principal que se desarrolla en el sistema de lagunaje artificial. Este proceso consiste en la reducción desasimilativa del NO3- por parte de bacterias heterótrofas, las cuales usan el NO3- como aceptor de electrones en condiciones de anoxia y una fuente de C como donador de electrones. Durante la desnitrificación, el NO3- sigue este proceso hasta transformarse en nitrógeno gaseoso. Se ha instalado un sistema de lagunaje artificial para la desnitrificación de los lixiviados antes de ser vertidos al medio ambiente y también se han utilizado plantas halófitas para evaluar su capacidad de absorción de NaCl con la idea de volver a reutilizar los lixiviados en el mismo o en otro cultivo. Con el sistema de lagunaje artificial se ha conseguido reducir el contenido de nitratos hasta valores próximos a los 50 ppm permitidos en las zonas vulnerables a la contaminación de nitratos. En cuanto a la capacidad de absorción de NaCl de plantas halófitas, en nuestro caso salicornia, hemos obtenido una reducción próxima al 50% de su contenido. Estos dos estudios se han realizado a través del proyecto TRA2019.006 “Transferencia tecnológica para un regadío sostenible. SAR.”

Sistema de lagunaje artificial con diferentes plantas utilizadas para la desnitrificación de los lixiviados procedentes de cultivos hortícolas en sustrato: vetiver, iris y junco.

Dentro de la iniciativa FIWARE ZONE puesta en marcha de forma conjunta entre la Junta de Andalucía y Telefónica, concretamente en el proyecto FIWARE ZONE Smart Agrolab Almería IFAPA, ha participado en la sensorización de los sistemas de cultivo en sustrato, evaluando la información aportada por sensores remotos instalados tanto en las unidades de sustrato como en estaciones meteorológicas. Esta iniciativa se basa en una solución IoT para la monitorización de todos los procesos implicados en el cultivo hortícola en sustratos bajo invernadero. FIWARE ZONE ha sido reconocida por la Comisión Europea como Digital Innovation Hub de Andalucía y es uno de los iHubs más dinámico del ecosistema FIWARE. Se han recopilado datos sobre Conductividad eléctrica (CE), pH, contenido de humedad y temperatura en el interior del sustrato; sobre CE, pH y temperatura de las soluciones de drenaje, la temperatura del cultivo (temperatura de hoja), el tiempo que permanece la hoja mojada por efecto de la condensación en el invernadero y los parámetros climáticos de temperatura, humedad, radiación solar y PAR incidente sobre el cultivo y concentración de CO2 en el aire del invernadero. Estos trabajos se han realizado dentro del proyecto AVA2019.039 “Nuevas tecnologías en la horticultura protegida: Eficiencia en el uso de los recursos naturales y la energía procedente de fuentes renovables”.

En la actualidad, el cultivo intensivo en la zona mediterránea apuesta por una economía circular y por la diversificación de la producción siguiendo las directrices impuestas por la Unión Europea. Existen pocos estudios sobre cultivo en sustrato de higuera bajo invernadero, siendo el objetivo de nuestro trabajo estudiar la posibilidad de cultivar de manera intensiva higueras en invernadero en maceta con sustrato de fibra de coco, así como la obtención de una cierta precocidad y mayor producción que el cultivo convencional al aire libre. Este trabajo se realizado dentro del proyecto TRA2019.003 “Innovación en cultivos protegidos: Biodiversidad Bioeconomía aplicada”. Los resultados obtenidos durante el primer año muestran que el cultivo de la higuera puede ser una alternativa a la producción hortícola protegida en la zona mediterránea. Las necesidades hídricas anuales han oscilado entre 1000 L y 700 L por planta, superiores a los cultivos tradicionales bajo invernadero como son el tomate y el pimiento entre otros, al realizarse el cultivo en sustrato una alternativa para aumentar la eficiencia hídrica sería la reutilización de los lixiviados que será uno de los objetivos a evaluar en los próximos años.

Cultivo de higuera en sustrato de fibra de coco: izquierda variedad ‘Dalmatie’ y derecha variedad ‘San Antonio’.

Instalación de un sensor para registrar la temperatura de hoja.

Dispositivos para el registro de la CE, pH y temperatura de la solución lixiviada por el cultivo en sustrato. Caudalímetro para registrar el volumen agua en cada riego.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Aplicación de sistemas sostenibles para el control de clima bajo invernadero

La Línea de Investigación sobre Control de clima en invernadero para mejorar la producción de los cultivos hortícolas, se inició en el Centro La Mojonera en el año 1991 en el marco de un sector basado en el uso de invernaderos con una limitada aplicación e inversión en nuevas tecnologías, principalmente aquellas relacionadas con el control del clima, que determina su dependencia climática de los factores ambientales externos, los cuales a menudo representan una limitación importante de producción y la calidad. Los objetivos generales de esta línea se resumen en:

  • Actuación sobre las principales limitaciones climáticas del invernadero mediterráneo con la incorporación de diferentes equipos de climatización para aumentar sus prestaciones productivas y mejorar la eficiencia del uso de los recursos naturales
  • Adecuar las instalaciones y consignas de control a las condiciones propias de los invernaderos mediterráneos y analizar la respuesta fisiológica de cultivos hortícolas.

En esta línea se han abordado trabajos sobre el enriquecimiento carbónico poniendo en valor su aplicación de acuerdo con una estrategia vinculada a la ventilación, por su efecto positivo sobre la producción y la eficiencia en el uso del agua en diferentes especies hortícolas, no obstante, su implantación en este sistema productivo es muy limitado debido al coste de la principal fuente, el CO2 puro. Así mismo se ha documentado la ventaja productiva que supone la aplicación de calefacción, y de su efecto sinérgico con el aporte de CO2, aunque la incertidumbre que mantienen los precios de los productos hortícolas y de los combustibles hace necesario un seguimiento continuo de la rentabilidad de los sistemas de calefacción con energías fósiles cada vez más cuestionadas. Otros proyectos se han relacionado con la aplicación de sistemas de refrigeración por nebulización (Agua/Aire) y de sombreado móvil exterior en la producción de cultivos como tomate, pepino y pimiento, así como su interacción con la salinidad del agua de riego. Se constató el interés de la aplicación del sombreado móvil exterior en áreas de alta radiación y de recursos hídricos limitados, ya que aumenta la eficiencia del uso del agua y fertilizantes (mayor rendimiento comercial y ahorro de agua y fertilizantes). Se pusieron de manifiesto las ventajas de este sistema frente al sombreado fijo (práctica habitual en la zona mediante el encalado de la cubierta). Adicionalmente se comprobó el efecto positivo de la malla móvil exterior durante el periodo nocturno, mostrándose como alternativa para mejorar la integral térmica nocturna en meses fríos.

En la actualidad esta línea se ha dirigido a la revalorización en términos de sostenibilidad de este sector mediante la aplicación de tecnologías para el control del clima de los invernaderos basadas en el aprovechamiento óptimo de la energía solar disponible en la zona y que, a la vez, permitan reducir en la medida de lo posible el uso de los recursos naturales y de las energías no alternativas, la generación de residuos y en definitiva el impacto sobre el medioambiente. Estos trabajos están fundamentalmente asociados a dos proyectos: RTA2017-00023-0-C02-02 “Integración de tecnologías sostenibles para reducir el estrés climático en la producción hortícola bajo invernadero” y AVA2019.039 “Nuevas tecnologías en la horticultura protegida: Eficiencia en el uso de los recursos naturales y la energía procedente de fuentes renovables”.

Uno de los retos que se están abordando es la adecuación de la ventilación natural de los invernaderos ya que sin duda es el mecanismo más sencillo, práctico y económico para actuar sobre el microclima. Por esta razón el grupo participó en la obtención de un prototipo de invernadero con cubierta doble intercambiable malla-plástico concebido para proporcionar la mejor tasa de ventilación y el mejor comportamiento térmico con la menor pérdida de transmisividad, de manera que cuando la lámina de plástico quede extendida, la malla permanezca recogida, y viceversa, garantizando en todo momento una tensión adecuada en la lámina de plástico. Identificadas las deficiencias de funcionamiento del prototipo original (mecanismo de apertura y cierre, tensado del plástico y la malla, etc), se está desarrollando una versión optimizada que asegure su total operatividad y donde se minimicen los costes, haciendo posible su transferencia al sector de producción en invernadero. Se ha propuesto un diseño mejorado cuya patente está en trámite y se está implementando en una estructura simplificada de invernadero comercial para su evaluación.

Una de las figuras incluidas en la patente «Dispositivo de cubierta intercambiable para invernaderos” (en trámite) y construcción del invernadero comercial simplificado que lo incorporará para evaluar su funcionamiento.

Recientemente en trabajos previos se ha evaluado la incorporación de un sistema pasivo de calefacción basado en el almacenamiento energético pasivo a corto plazo, mediante mangas de polietileno flexible llenas de agua dispuestas junto a las líneas de cultivo que actúan durante el día como captadores de energía solar, absorbiendo radiación, y aportando durante la noche por convección natural y radiación, energía en forma de calor. Los resultados han puesto de manifiesto el efecto de mejora en las temperaturas nocturnas, proporcionando en los periodos fríos incrementos de la temperatura mínima, respecto a un invernadero de referencia, del orden de 1-2,5 ºC en invernadero parral y de 2,5-3,4 ºC en invernadero multitúnel combinado con pantalla térmica. Este efecto, aunque discreto, supone una ventaja interesante en los periodos fríos en los que las temperaturas nocturnas son inferiores a 12ºC y por tanto, sub-óptimas para el desarrollo y producción de los cultivos, lo que corroboran los resultados experimentales obtenidos de incrementos productivos en pimiento en torno al 12%.

Sistema de calefacción pasiva con mangas de agua, dispuestos en invernadero parral y en invernadero multitúnel combinado con pantalla térmica.

En el proyecto actual el grupo ha desarrollado un sistema pasivo híbrido de refrigeración y calefacción (SPACHI, Sistema Pasivo Alterno de Calefacción y Humectación para Invernadero). El sistema integra junto con las mangas de agua para mejorar las temperaturas nocturnas durante el periodo frio, unas pantallas textiles verticales de material hidrófilo, con buena capacidad de retención hídrica, que permiten la evaporación de agua para aumentar la humedad y reducir la temperatura en el periodo cálido. En invernadero multitúnel con un cultivo de pimiento de otoño-invierno, el sistema ha mostrado un ligero efecto de refrigeración al inicio del ciclo (época estival) cuando se produce un fuerte estrés térmico e higrométrico, proporcionando una reducción media de los valores máximos de temperatura (-0.7ºC) y del déficit de presión de vapor (-0.5 kPa), que dio lugar a una mejora en el crecimiento y desarrollo inicial del cultivo. En los meses de invierno, el efecto medio sobre la temperatura mínima de la calefacción pasiva de mangas de agua combinada con pantalla térmica nocturna ha sido de +2.2ºC respecto al invernadero de referencia. Como resultado global del sistema la producción comercial ha incrementado en un 25%, poniendo de manifiesto el interés y sostenibilidad de este desarrollo de tecnología para el invernadero Mediterráneo. Actualmente el sistema se está evaluando en invernadero con doble techo, sin pantalla térmica.

Sistema Pasivo Alterno de Calefacción y Humectación para Invernadero (SPACHI)

Cultivo de pimiento en invernadero de referencia (izquierda) y con el SPACHI (derecha).

Otro de los objetivos planteados es la evaluación de sistemas para el control del clima en invernadero basados en energía de fuentes de renovables. El grupo está llevando a cabo el estudio de una instalación híbrida de calefacción solar-biomasa, mediante el análisis del funcionamiento y de la eficiencia energética de los dos sistemas de calefacción (termosolar y biomasa) trabajando por separado y conjuntamente.

Instalación híbrida solar-biomasa para calefacción de invernadero.

La posibilidad tecnológica de aislar y almacenar el CO2 residual de la combustión de biomasa, para su aplicación en el invernadero, resulta una solución muy atractiva en términos de sostenibilidad medioambiental y económica. En este sentido, el grupo está trabajando para obtener una versión optimizada de un sistema de captura y almacenamiento del CO2 residual que maximice su rendimiento y minimice los costes asociados a su funcionamiento para su aplicación en el enriquecimiento carbónico del aire en invernadero, convirtiéndolo en un producto aplicable y transferible al mercado. En este cometido es muy interesante la participación en el proyecto de uno de los autores de la patente del sistema original (F. Gabriel Acién. UAL).

Depósito de carbón activo para la captura del CO2 procedente del humo de combustión de la caldera de biomasa.

En colaboración con una empresa líder en el desarrollo de computadoras climáticas, HortiMaX Growing Solutions S.L., se están aplicando los conocimientos previos del equipo investigador sobre estrategias de aporte del CO2 en invernadero mediterráneo para abordar el estudio del uso de una herramienta de optimización dinámica de la concentración de CO2 para mejorar la eficiencia de la aplicación en condiciones mediterráneas.

Integrantes actuales del Grupo de investigación del IFAPA La Mojonera: Evangelina Medrano Cortés, Mª Cruz Sánchez-Guerrero Cantó, Pablo Fernández del Olmo y Rafael Reyes Requena.

Imagen Principal: Cultivo de tomate en sustrato de fibra de coco con cese intermitente del aporte de fertilizantes.

Accede aquí a la nota del evento publicada en bibliotecahorticultura.com con comentarios, video y podcast.

 

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