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Control de los invernaderos

La rentabilidad del invernadero depende de un complejo sistema de procesos químicos que ínter-actúan con el crecimiento de las plantas.

La fotosíntesis es el proceso por el cual planta utiliza la energía luminosa, el dióxido de carbono y el agua para formar azúcares y expulsar oxígeno. Este proceso básico se da en particular en las estructuras celulares de la hoja llamadas cloroplastos. La clorofila (el pigmento verde) absorbe la energía de la luz para iniciar el proceso.

La fotosíntesis se ve afectada por la intensidad de la luz, el contenido de dióxido de carbono del aire, la temperatura del aire y el agua. La tasa de fotosíntesis es aproximadamente proporcional a la intensidad de la luz hasta cerca de un tercio a la mitad de la luz solar plena, a partir de ahí y en adelante la cantidad de luz resulta sobrante. Por tal motivo, y en general, los invernaderos pueden ser sombreados en un 30-40% sin que la fotosíntesis se vea afectada durante los días de sol pleno en verano. A pleno sol, en un día claro, en un clima tropical o subtropical, la intensidad de la luz puede estar desde mas de 100,000 lux  en verano hasta 60,000 en invierno. La fotosíntesis no se verá afectada por las variaciones en la intensidad de la luz por encima de unos 40,000 lux. En el verano, en los días claros, los productores pueden dar sombra a las casas un 30% a 40% sin sacrificar el crecimiento, ya que la luz solar estará todavía por encima del punto de saturación para la fotosíntesis. El sombreado es realmente beneficioso ya que disminuye la temperatura en la copa de la planta. Un sistema de tela de sombra desplegable (cortina sobre la copa) es el mejor método para lograr el control de la temperatura en el invernadero durante el verano y principios del otoño y de nuevo a finales de primavera a principios del verano.

El nivel de C02 en el aire afecta a la tasa de fotosíntesis. Típicamente el aire ambiente exterior tiene alrededor de 350 ppm de CO2. La investigación ha demostrado que las plantas pueden aumentar el crecimiento y el rendimiento al aumentar la concentración de CO2 desde 800 a 1000 ppm, siempre y cuando la luz, la temperatura, etc, sean óptimas. El CO2 puede ser enriquecido dentro del invernadero mediante la inyección de este desde cilindros, o por la quema de gas natural o propano en quemadores especiales. Los agricultores en las zonas frías practican con regularidad la inyección de CO2.

Para que la inyección de CO2 sea efectiva se debe realizar durante las horas diurnas con luz, y con el sistema de ventilación del invernadero apagado. Este último requisito es difícil de cumplir en las zonas cálidas, incluso en el invierno, debido a que algo de ventilación será necesaria incluso en los días fríos pero soleados. Por lo tanto, es cuestionable si la inyección de CO2 resultará beneficiosa para estos agricultores. El suministro de agua a la planta tiene impacto en la tasa de fotosíntesis. El estrés hídrico causa que los estomas en las hojas se cierren. Dado que los estomas son las vías de entrada para el CO2 necesario para la fotosíntesis, la tasa de crecimiento se reducirá a cerca de cero en las plantas marchitas.

Las deficiencias de nutrientes, enfermedades e insectos también puede reducir la fotosíntesis. Las deficiencias de nutrientes dañan la hoja sana y su capacidad para producir clorofila. Los organismos de las enfermedades y los insectos reducen la cantidad de área foliar sana para llevar a cabo la fotosíntesis.

El objetivo principal del gestión en el invernadero es mantener la fotosíntesis en la planta. Casi todo lo que un operador de invernadero hace, está dirigido a la optimización del entorno del invernadero para que la tasa de crecimiento no se desacelere.

Los productos de la fotosíntesis sufren muchas transformaciones en la planta para producir todos los compuestos necesarios para el crecimiento vegetal y la producción de fruta. Estos compuestos incluyen azúcares, aminoácidos, proteínas, almidones, enzimas, compuestos energéticos, celulosa, lípidos y ácidos nucleicos?, entre otros.

Algunos de los productos generados durante la fotosíntesis y su procesos posteriores se degradan "queman" para producir la energía que la planta necesita para el crecimiento, lo que se conoce como respiración.

Al igual que la fotosíntesis, la respiración se afecta por factores como la temperatura, la humedad, los daños mecánicos, la edad del tejido de la planta, el nivel de CO2, y la cantidad de alimento (fotosíntesis) disponibles.

La respiración aumenta a medida que aumenta la temperatura. La respiración se lleva a cabo en la noche y durante el día. Como la respiración reduce la cantidad de materiales aportados por la fotosíntesis, los productores en general, tratan de manejar la temperatura de la noche a fin de minimizar el exceso de respiración. Las heridas de la planta aumentan la respiración con el fin de proporcionar material para curar las heridas. Por lo tanto, los productores deben minimizar los daños mecánicos por prácticas como la poda, la recolección y la eliminación de las hojas inferiores. La fotosíntesis y la respiración trabajar en combinación para llevar a cabo el metabolismo de la planta. Ellos parecen ser opuestos en la naturaleza debido a que uno utiliza el agua y el CO2 y producen oxígeno y azúcares, mientras que el otro utiliza los azúcares y el oxígeno para producir agua y CO2. El desafío para el productor de invernadero es la gestión del medio ambiente en su interior para proporcionar las mejores condiciones culturales que den lugar a un equilibrio adecuado del metabolismo que resultará en una elevada producción de frutos de alta calidad.

Control ambiental

En términos generales, el control ambiental incluye la estructura del invernadero, el equipamiento anexo, y las decisiones de gestión del día a día que caracterizan la producción de cultivos en invernadero. En los invernaderos típicos, los controles son una mezcla de ajustes manuales, eventos programados, y acciones reguladas por elementos automáticos como los termostatos. En las operaciones muy sofisticadas, se utilizan las computadoras.

Características de respuesta de las cosechas al ambiente

Control de invernadero

Figura 1: Esquema de un sistema computarizado de control del invernadero.

Las plantas comercialmente plantadas son predecibles. Por ejemplo, se sabe bien la relación entre la duración del día y la floración de las flores de pascua lo que es una información esencial para el mercado de Navidad. Los productores deben comprender plenamente la importancia de controlar adecuadamente "la duración del día" para obtener las hojas brillantes de color rojo que los clientes quieren. También debe estar consciente de la relación entre el desarrollo y la temperatura de los cultivos. Las plantas de follaje que tardan nueve semanas para crecer hasta el tamaño mercado en el verano, pueden demorar 12 semanas en el invierno. La mayoría de los productores saben que la tasa de crecimiento se puede acelerar por el manejo de las temperaturas ambientales en el invernadero. Ciertamente, la frecuencia de riego, las tasas de fertilización y los niveles de CO2, afectan el crecimiento y desarrollo del cultivo.

El éxito de las operaciones del invernadero gira alrededor de que, cosecha tras cosecha haya una respuesta consistente al entorno. Con el aprendizaje de los mecanismos de relación entre un cultivo y su entorno en el invernadero, los productores han llegado a depender cada vez más de los sistemas de control automático para proporcionar condiciones consistentes y favorables del medio ambiente. Por ejemplo, en el pasado reciente, era una práctica común el riego manual de los cultivos en el invernadero. Hoy en día, la mayoría de los productores se basan en sistemas de riego automático regulados por temporizadores y válvulas de solenoide. Además de las ventajas del ahorro de trabajo, los productores se han dado cuenta que los sistemas automatizados de riego tienen ventajas hortícolas. Permiten una mayor precisión en la regulación del tiempo de los eventos de riego y en la cantidad de agua que los agricultores aplican a sus cultivos. De la misma manera, la tendencia al uso de controles electrónicos en lugar de mecánicos en los termostatos ha proporcionado una mayor flexibilidad en la regulación de los calentadores, ventiladores, y las placas húmedas de refrigeración.

El siguiente paso lógico en el desarrollo de un invernadero es la utilización de un sistema informático de control que puede vincular y administrar todas las sub-unidades de control de manera muy automatizada. En general, las estrategias de control con computadoras pueden ser mucho más sofisticadas que otros tipos de controladores. Esto proporciona al productor más capacidad de gestiones precisas para un funcionamiento más eficiente de los calentadores, ventiladores y otros equipos de control. Menos obvio, los sistemas informatizados de control pueden ayudar al desarrollo de estrategias globales de gestión, al proporcionar datos coherentes y detallados sobre el medio ambiente del invernadero.

La figura 1 es una representación esquemática de un invernadero y su sistema de control. La temperatura, la humedad y los niveles de CO2 son las principales variables que describen el entorno del invernadero como se muestra en el esquema. El propósito del sistema de control es mantener estas, y otras variables, dentro de los límites requeridos por el cultivo. Para llevar a cabo su tarea, el sistema de control debe responder a los cambios (como la luz solar y el clima exterior) que actúan sobre el medio ambiente del invernadero. Las alteraciones son procesos que tienen lugar tanto dentro como fuera del invernadero y que cambian el calor, la humedad, y las cantidades de CO2 en el invernadero. Por ejemplo, la radiación solar o la luz del sol afecta directamente el equilibrio energético de un invernadero y, por consiguiente, su temperatura. Además, la radiación solar indirecta afecta el equilibrio de la masa de CO2 (la concentración de CO2) del invernadero debido a su papel en la fotosíntesis. Los dispositivos actuadores, tales como calentadores, ventiladores y rejillas de ventilación también alteran el balance de calor y la humedad de un sistema de invernadero. El objetivo del sistema de control es el de regular las entradas de los calentadores, ventiladores y otros dispositivos de control para contrarrestar las perturbaciones y, por tanto, mantener el medio ambiente del sistema en las condiciones mas adecuadas.

El sistema de control muy a menudo se utiliza un circuito de retroalimentación para regular el funcionamiento de los actuadores tal como lo haría un operario al controlar manualmente una variable. Cuando el agricultor comprueba un termómetro de mercurio (sensor) para una indicación de la temperatura interior (la variable), mentalmente la compara con la deseada, estableciendo un valor que es la diferencia (error) entre la deseada (punto de ajuste) y la existente (medida). Dependiendo de la dirección (signo) y la magnitud del error, el productor puede ajustar un actuador, por ejemplo, puede encender un ventilador cuando la temperatura sube demasiado, o encender un calentador cuando baja mucho.

En el sistema computarizado un sensor controla cada variable medible, produciendo una señal de que es un indicador directo del estado de la variable. La computadora compara la señal de medición con la señal de ajuste (valor adecuado) para producir una señal de error que indica la necesidad e intensidad de su control. Luego utiliza la señal de error para poner en marcha el actuador. Dependiendo del dispositivo en particular, la computadora puede cambiar un valor en magnitud de acuerdo a la señal de error; por ejemplo aumentar el calor generado en un quemador, o hacer un simple giro del dispositivo de encendido a apagado o viceversa cuando el valor medido excede el punto de ajuste. En muchos casos resulta conveniente contar con un sistema de alimentación en avance de las variables exteriores, ya que un cambio en las condiciones externas puede demorar desde minutos hasta horas para que puedan ser detectados por los sensores interiores, de esta forma el sistema de control, si está programado con un modelo de acciones en el invernadero en relación con las perturbaciones externas, puede responder de manera anticipada a los cambios del ambiente externo antes de que el problema sea detectado dentro del invernadero.

Los cultivadores utilizan con frecuencia estas técnicas de control de alimentación en avance en los controles manuales, al reconocer las tendencias y realizar ajustes. Por ejemplo, cuando el cielo se torna particularmente nublado, los productores asumen la posibilidad de exceso de agua y ajustan sus temporizadores de los sistema de riego en consecuencia. De manera similar, algunos sistemas de riego automatizados monitorizan los niveles de luz solar y toman decisiones del riego de los cultivos en base a la luz solar medida. Dado que los ordenadores son fácilmente programables con modelos que tienen en cuenta las interacciones del invernadero y sus cultivos con el medio ambiente, son muy adecuados para la aplicación de los bucles de alimentación en avance.

Sensores

Como se indica en las secciones anteriores, todos los sistemas de control de los invernaderos requieren información sobre las variables que definen el entorno de este. Los sensores proporcionan esta información. Tradicionalmente, el productor ha actuado como un "sensor", al "sentir" las condiciones del invernadero de acuerdo a su experiencia y relacionar estas condiciones con el crecimiento y desarrollo de su cultivo. Para complementar los sentidos del productor hacia el medio ambiente del invernadero, los termómetros de vidrio se convirtieron en uno de los primeros sensores utilizados regularmente para contar con información cuantitativa sobre una variable, la temperatura de bulbo seco.

Hoy en día, hay muchos sensores sofisticados electrónicos a disposición del productor para el seguimiento de las condiciones del invernadero y proporcionar datos de entrada para la toma de decisiones de control de forma automática cada vez más sutiles y eficaces. Muchos invernaderos tienen sensores electrónicos para medir la temperatura de bulbo seco (termistores), la temperatura de bulbo húmedo (psicrómetros), y el nivel de luz (piranómetros) vinculados a determinados sub-sistemas de control. Otros sensores incluyen sondas de conductividad eléctrica y pH del sustrato utilizados en los sistemas de fertirrigación, analizadores de gas utilizados en los sistemas de inyección de CO2, y sensores de velocidad y dirección del viento para controlar las posiciones de los ventiladores.

Sub-sistemas de control

Los otros componentes esenciales del sistema de control computarizado del medio ambiente se muestran en la Figura 1 y son los actuadores o sub-sistemas de control automático. Una vez que la computadora evalúa los datos del sensor y toma una decisión de control, algún dispositivo debe estar disponible para llevar a cabo la decisión. En los últimos años,el número y la sofisticación de los dispositivos de control que se utilizan regularmente en invernaderos comerciales ha aumentado constantemente. En el área de los sistemas de refrigeración, las paredes inflables, sistemas de alta presión de niebla, y las cortinas de sombra con despliegue automático son innovaciones recientes disponibles, además de los clásicos respiraderos y ventiladores.

Entre otros sub-sistemas de control de uso común están los de inyección de fertilizantes, los equipos de inyección de CO2 y los ventiladores horizontales para mantener mas homogéneo el aire dentro del invernadero.

Todos estos sub-sistemas son compatibles con los controles por ordenador. Mediante la vinculación de los componentes de los sub-sistemas a través de una computadora, un conjunto de sensores puede regular todo el equipamiento. De esta forma cada sub-sistema no opera de manera aislada, si no que opera en coordinación con los otros equipos en el sistema. Por ejemplo, cuando los ventiladores están funcionando, se detienen las inyecciones de CO2.

Adquisición de datos

Aparte de hacer mas seguras las alarmas y el control de los equipos más eficientemente, así como la flexibilidad, una ventaja importante de los controles por ordenador es el papel secundario de la computadora como un sistema de adquisición y almacenamiento de datos. Con este arsenal de datos se puede ir evaluando y optimizando la respuesta de cada cultivo a las condiciones del invernadero en distintas pruebas o en los distintos períodos del año con gran precisión. Por ejemplo, un productor pudo haber obtenido un lento desarrollo de los capullos de las rosas, para cierto periodo del año, aunque el sistema estaba programado y funcionó de manera perfecta en otro período, lo que sugiere que quizás hay que utilizar temperaturas diferentes para épocas con diferente niveles de iluminación o duración del día u otro factor. La disponibilidad de datos fiables almacenados en la computadora puede dar la información que se necesita para el reconocimiento rápido de los patrones de respuesta de un cultivo en relación a los cambios externos u otros, que de otra manera no hubieran podido relacionarse con exactitud.

En un nivel aún más básico, los datos de los sistemas de control por computadora capacitan a los productores acerca de los patrones reales todos los días en el ambiente que existe en sus invernaderos. Una vez que los productores se familiarizan con esos datos puede alcanzar un alto grado de gestión en su negocio.

Control de las sustancias químicas


Fertilizantes, ácidos y álcalis

Los materiales fertilizantes y productos químicos se deben almacenar en un edificio de almacenamiento separado. La humedad en el invernadero puede llevar al endurecimiento y aglomeración de algunas sales fertilizantes. Los depósitos deben estar cubiertos y situados lejos de los controladores e interruptores eléctricos. Esto es especialmente importante si se acumulan ácidos o álcalis. El objetivo es reducir al mínimo la corrosión de toda la maquinaria, equipos, y los controles del invernadero.

Los fertilizantes se deben almacenar en recipientes bien cerrados de plástico para mantener el material seco. Los fertilizantes y productos químicos debe mantenerse fuera del alcance de los niños y los animales. Cuando se mezclen fertilizantes, los productores deben utilizar recipientes limpios y todos los recipientes deben enjuagarse bien después de su uso. Los productores deben etiquetar claramente todos los contenedores y disponer correctamente los materiales de embalaje.

Los ácidos y álcalis fuertes son líquidos muy peligroso y puede causar quemaduras graves. Cuando los ácidos se mezclan con las soluciones de fertilizantes debe estar disponible abundante agua limpia para lavar derrames, es buena práctica mantener a mano un recipiente con una solución de bicarbonato de sodio para neutralizar el ácido que pueda entrar en contacto con la piel de algún operador. Se debe recordar añadir siempre el ácido al agua. El agua o la solución de fertilizante no debe ser vertida nunca en un recipiente con ácido concentrado.

Control de las aguas residuales

Los productores no deben subestimar la importancia de la necesidad de hacer frente eficazmente a las aguas residuales de los invernaderos. Está aumentando la presión sobre los productores agrícolas para eliminar las posibles fuentes de contaminación del agua subterránea. Esto significa que los nuevos productores tengan la necesidad de considerar el manejo de las aguas residuales durante el diseño de sus nuevas casas. También que los actuales productores tendrán posiblemente en el futuro, que tomar medidas a sus prácticas de producción en el sentido de ver las áreas que se pueden modificar para proporcionar la eliminación segura de las aguas residuales.

Uno de los grandes problemas con las operaciones hidropónicas es la gestión de las aguas residuales. Cada vez se hace mas difícil disponer de las aguas residuales de la descarga del colector. La reutilización de la solución nutritiva para el riego agrícola estándar o el césped es una buena idea en la actualidad. Idealmente, la mejor solución sería volver a utilizar la solución por largos períodos de tiempo en el invernadero. Desafortunadamente, el riesgo de acumulación de patógenos es demasiado grande para permitir su uso por más de unos pocos días hasta una semana.

Un sistema de esterilización prometedor, es la radiación con rayos ultravioleta (UV). En este sistema, el agua pasa a través de una unidad de esterilización UV, y vuelve al colector del invernadero. La luz UV tiene la capacidad de destruir los agentes patógenos de ciertas enfermedades, siempre y cuando el tiempo de exposición sea suficiente. Con la filtración adecuada se puede separar la materia orgánica, un sistema hidropónico con la esterilización de la luz UV evitaría la necesidad de un gran número de vertidos frecuentes.

El principal problema sobre el productor recae en la fuerte tarea del monitoreo de la concentración de nutrientes en la solución. Una de las razones secundarias para la descarga es "empezar de nuevo" con los distintos niveles de los diversos elementos de acuerdo a las concentraciones de las fuentes de nutrientes disponibles. Con los vertidos reducidos, el productor debe prestar atención a los niveles de los diversos elementos y estar preparado para ajustarlos de forma individual. Control de la fertirrigación Para un funcionamiento óptimo de cualquier sistema de fertirrigación, se debe intentar un cierto nivel de automatización.La automatización puede ayudar a proporcionar los niveles más uniformes de agua y nutrientes a los cultivos. Las fluctuaciones de agua y nutrientes por lo general conduce a problemas de producción con el rendimiento y la calidad de la fruta.

El nivel de automatización requerido para la mayoría de los productores en zonas cálidas es razonablemente barato. El riego en sistemas hidropónicos con sustrato estéril, se basa en el automatizado del bombeo de la solución de nutrientes a las plantas. Los ciclos de bombeo se controlan con un temporizador simple que puede proporcionar secuencias de tiempo en minutos; por ejemplo de 5, 10 o 15 minutos de período por cada hora. El reloj debe ser lo suficientemente flexible como para cambiar los ciclos de encendido/apagado para satisfacer las diversas demandas de programación durante el ciclo de cultivo. El sustrato servirá de reserva para una cierta cantidad de solución nutritiva que puede ser utilizada por la planta entre los riegos. Si los riegos se operan únicamente por un temporizador, en ciertos días, las plantas pueden resultar sobre regadas. Esto sucedería en los días fríos, nublados, si el temporizador se ajustó para cuidar de la irrigación en las situaciones de máxima demanda (días soleados).


Para evitar este tipo de problemas, el riego automatizado en algunos sistemas hidropónicos utiliza un sensor de nivel de agua de riego. Las aguas del riego circulan entre las raíces de las plantas y van a para a una bandeja que drena a un pequeño canal en el extremo de la bandeja. Una sonda sensora envía una señal a una caja de relés cuando el contacto entre la punta de la sonda y el agua en el canal se interrumpe. La caja de relés envía una señal al controlador de riego (temporizador) para que abra una electroválvula y comience el ciclo de riego. La duración del evento de riego está programado para entregar la cantidad de agua correcta a las plantas y volver a llenar el canal. El intervalo de tiempo predeterminado de riego varía con la etapa del cultivo y la temporada.

En las grandes operaciones, los sensores pueden ser controlados por el mismo ordenador que manipula la gestión del invernadero, en cuanto al resto de los factores involucrados en el sistema, relacionados con el ambiente general interior.

En este caso se tiene la ventaja de que se pueden registrar y almacenar los datos sobre el uso de fertilizantes y agua por los diferentes cultivos, así como en las épocas y condiciones del clima.

Control de la concentración de la solución nutriente

Los cultivadores a menudo necesitan controlar el nivel de nutrientes en las soluciones fertilizantes. Esta es una buena práctica, pero se debe tener cuidado en la metodología utilizada para medir los nutrientes.

Un método común, rápido y fácil (pero propenso a errores) es medir el nivel de las sales solubles o la conductividad eléctrica (CE). Hay aparatos portátiles para esto y la medición es fácil y rápida. Sin embargo, este procedimiento sólo le dice al operador la cantidad relativa total de "sales" en la solución y nada acerca de cada nutriente específico en ella.

Este método puede conducir a serios problemas. Por ejemplo, supongamos que un agricultor estaba acostumbrado a mantener una CE determinada en la solución nutritiva cuando utilizaba un fertilizante con un contenido dado de elementos en el análisis y con él obtenía buenos resultados en la cosecha. El productor luego cambia a un fertilizante de análisis diferente, pero mantiene la misma CE. En este caso, el medidor de conductividad engañará al productor en lo relativo a la concentración real de nutrientes como N, P, o K, se puede incluso, comenzar a fertilizar en una situación de déficit a pesar de que la CE es la misma que antes.

El uso de las mediciones de la CE sólo resulta útil en el control de la concentración total de sal en la solución de un programa de fertilización que ha sido debidamente probado y comprobado. En tal sistema la vigilancia de la CE ayuda a mantener altos niveles de nutrientes, pero las concentraciones de nutrientes individuales pueden variar considerablemente de las ppm deseadas. Por esta razón, la solución nutritiva se descarta periódicamente (por lo menos una vez por semana) y se inicia una nueva. Las lecturas de las sales disueltas también puede ser útil para determinar la probabilidad de daños por salinidad a las plantas que crecen en sustrato natural. Subir y bajar las concentraciones de fertilizantes en la solución nutriente basado solamente ​​en los resultados de la CE, produce un cambio en todo el abanico de componentes, cuando quizás solo era necesario el cambio en un solo nutriente. Esta práctica puede llevar a deficiencias o toxicidades en particular con respecto a los micro nutrientes.

Los artículos siguientes tienen mas información sobre los invernaderos:

Consideraciones constructivas de los invernaderos
Consideraciones de fertilización en invernaderos
Consideraciones agronómicas en los invernaderos
Consideraciones para el control de plagas y enfermedades en el invernadero



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