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Diciembre 2017 | Cultivos Protegidos

Greensys 2017 en China

Novedades tecnológicas en invernaderos y fábricas de plantas

El Simposio Internacional sobre Nuevas Tecnologías para el Control Ambiental, Ahorro de Energía y Producción de Cultivos en Invernaderos y Fábricas de Plantas (Greensys 2017) se llevó a cabo en agosto de 2017 en Beijing, China, bajo el auspicio de la Sociedad Internacional de Ciencias Hortícolas (ISHS, en inglés). El primero de su tipo en China. Los organizadores lograron un evento científico muy fructífero en el que 511 participantes de 27 países intercambiaron conocimientos relevantes en el campo de ingeniería de sistemas de invernaderos, sus tecnologías más recientes, los diferentes aspectos de producción de cultivos y de fisiología de las plantas. La Dra. Silke Hemming y el Dr. Ep Heuvelink, de la Universidad de Wageningen (Holanda), nos entregan este informe exclusivo publicado en la revista relacionada New Ag International.

El simposio contó con la participación de más de 300 participantes de China y los contenidos abarcaron desde el diseño de sistemas de invernaderos, materiales de cobertura, control climático y modelado, tecnología de plantas industriales y tecnologías de iluminación, hasta la producción y gestión de cultivos, modelado de cultivos, calidad de productos, fertirrigación y gestión de medios de cultivo.

Túneles Plásticos. Es el sistema de de producción predominante, aproximadamente con un 73%. De los cuales 1/3 son túneles bajos, seguido por el invernadero solar chino con 26% de producción.

EL SISTEMA DE CULTIVO PROTEGIDO EN CHINA ES EL MÁS GRANDE DEL MUNDO

Los invernaderos chinos constituyen, por lejos, la mayor superficie de cultivos protegidos del mundo con 3,7 millones de hectáreas de ese tipo de estructuras registradas al año 2016. La producción hortofrutícola total fue de 22 millones de hectáreas en 2015, y el rendimiento total de hortalizas fue de 785 millones de toneladas (de las cuales 260 millones de toneladas venían de cultivos protegidos) con un valor bruto de 2.170 mil millones de renminbis (RMB). El consumo total de verduras en China es de 561 kg por persona al año.  Las principales áreas de cultivo protegido son la bahía de Bohai y la región de Huang-Huai Hair (área de Beijing, 56%), la región media-baja del río Yangtzé (18%), la región noroeste (11%). Se cultivan más de 20 hortalizas diferentes, pero el tomate, el pepino, el pimiento, la berenjena y el apio ocupan el 53% de la superficie. El sistema de producción predominante corresponde a túneles plásticos (aproximadamente un 73%. De los cuales 1/3 son túneles bajos), seguido por el invernadero solar chino (aproximadamente un 26%) y algunos invernaderos multi-propósito (aproximadamente un 1%).

El rendimiento estándar del tomate es de 12 kg/m2 pero puede llegar a 40 kg/m2 en invernaderos multipropósito. Los principales desafíos para el cultivo protegido en China son: bajos rendimientos por la gestión deficiente del medio ambiente, mala calidad, poca eficiencia en el uso de la tierra, gran cantidad de mano de obra y baja productividad laboral, fluctuaciones en la producción y fácil afección por desastres naturales, baja eficiencia en el uso de agua, fertilizantes y productos químicos. Sin embargo, dado que las emisiones de CO2 en China deben reducirse a menos de 10 millones de toneladas en 2020, el uso de energía destinado a invernaderos ha acaparado toda la atención.

Cuando se introdujeron los invernaderos en China se establecieron los siguientes problemas clave para el cultivo protegido: instalaciones y equipos de producción demasiado sencillos, baja capacidad de control ambiental, bajos niveles en la producción de plántulas, deficiencias en los métodos y tecnologías de cultivo, falta de prevención y control insuficiente de plagas y enfermedades, conocimiento insuficiente sobre el manejo moderno de cultivos, y bajo nivel de mecanización.  Por lo tanto, el desarrollo futuro debe centrarse en aumentar el rendimiento y la calidad, en el uso eficiente de los recursos, en aumentar la productividad laboral, en reducir los costos, en aumentar la escala de las explotaciones y en modernizar la producción.  Esto puede lograrse mejorando la gestión de los cultivos en las zonas de producción existentes (Invernadero Solar Chino) y añadiendo tecnologías a estas zonas de producción (por ejemplo, mayor transparencia para una mayor recopilación de energía solar, mejoramiento de la recolección pasiva de calor solar, sistemas activos de almacenamiento y liberación de calor) y así mismo diseñando sistemas de producción completamente nuevos (por ejemplo, invernaderos multitúnel o fábricas de plantas).

INTENSIFICACIÓN TECNOLÓGICA E INCORPORACIÓN DE BIG DATA: TENDENCIAS OBSERVADAS EN EL SIMPOSIO

Durante el simposio observamos las siguientes tendencias: cambio de un simple cultivo protegido a una producción de invernadero de alta tecnología; desarrollo de sistemas de producción con un control ambiental más inteligente;  uso de más TIC, de grandes volúmenes de datos (big data) y de tecnologías de aprendizaje automático; y un vuelco hacia fábricas de hortalizas verdes, especialmente en las ciudades.  Las razones para ello son diversas. La población mundial está creciendo y debemos proporcionarle suficientes vegetales para una dieta variada y rica en vitaminas. El cambio climático mundial aumenta la necesidad de más cultivos protegidos. Una mayor incorporación de tecnología en invernaderos y fábricas de plantas permite un mejor control de los factores de producción y, por lo tanto, un mejor control del rendimiento, calidad y valor del producto. Varios países asiáticos carecen de mano de obra joven y eficiente. Los métodos de cultivo inteligentes con el uso de sensores, computadores y datos podrían atraer más mano de obra joven a la agricultura y horticultura protegida en particular. Sin embargo, actualmente la mayoría de los países carece de mano de obra calificada, tampoco tienen un buen conocimiento de la tecnología ni una actitud 24/7 para una producción eficiente en el futuro.

De varios conferencistas se desprende claramente que la atención no sólo debe centrarse en la optimización del rendimiento y la calidad, sino que también en la viabilidad económica y cada vez más en la eficiencia del uso de los recursos. Se puede lograr una alta eficiencia en el uso de recursos agregando control con más tecnología (simple y avanzada) y teniendo un conocimiento más profundo de la fisiología del cultivo. Sin embargo, también se logra eficiencia integrando la producción de invernaderos en edificios y ciudades. Varios conferencistas se refirieron a la posibilidad de integrar producción de alimentos con aspectos sociales, por ejemplo, producción por parte de discapacitados, o la agricultura urbana como medio para mejorar la cohesión social.

MUCHOS DESAFÍOS EN LAS FÁBRICAS DE PLANTAS

El profesor Kozai, de la Asociación de Fábricas de Plantas de Japón, pronunció un discurso de apertura en el que explicó los detalles, ventajas y futuros desafíos de las fábricas de plantas. Las fábricas de plantas, solo con luz artificial (PFAL), se definen como ambientes totalmente controlados, sin luz natural, en los que se producen cultivos, principalmente hortalizas de hoja verde, a menudo en muchos niveles. Sus ventajas son: alta controlabilidad, alta productividad, alta eficiencia en el uso de recursos y productos con valor agregado. Como desventajas actuales, señala que se necesitan grandes aptitudes operativas, tecnología sofisticada, altas inversiones y que aún no se ha alcanzado la producción sostenible.  Kozai mencionó los siguientes desafíos principales: aumentar la eficiencia en el uso de la luz, disminuir el uso de electricidad, y encontrar nuevos tipos de productos. Así, un nuevo tipo de fábrica de plantas inteligentes podría desarrollarse en los próximos años.

La eficiencia en el uso de la luz podría mejorarse mediante la distribución uniforme de la luz artificial en el dosel vegetal para aumentar la fotosíntesis total. Controlar la intensidad lumínica con el aumento del índice de la superficie foliar podría ahorrar energía. La importancia de la luz verde no debe ser subestimada. Por ejemplo, hoy en día se sabe más sobre la importancia de la luz verde en la penetración de un dosel denso de plantas y el aumento de la fotosíntesis para el control de la floración, la producción de metabolitos secundarios y la resistencia a las enfermedades. Para optimizar la densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD), se debe considerar la interacción con otros factores de crecimiento como el CO2 y la temperatura. El estado fisiológico, especies, cultivares, estructura del dosel y etapa de crecimiento son importantes, junto al movimiento rítmico de las plantas. Mediciones en línea de fenotipado de plantas, fotosíntesis en línea o mediciones del contenido del metabolito secundario, la Internet de las Cosas (IoT) y los grandes volúmenes de datos (big data) podrían acelerar la optimización de la fábrica de plantas en un futuro próximo. Kozai destaca la alta eficiencia del uso de recursos en las fábricas de plantas. Demuestra que la eficiencia del agua, el CO2 y los fertilizantes es más alta en la producción de fábricas de plantas que en invernaderos y sugiere controlar el crecimiento de los cultivos a través del uso de recursos en línea en el futuro.

También se rebelaron las primeras cifras comparables de eficiencia en el uso de recursos de fábricas de plantas e invernaderos para la producción de lechuga en tres lugares (Norte de Suecia, Holanda, los Emiratos Árabes Unidos) y concluye que la eficiencia en el uso de recursos por kg de lechuga producida es más alta en una fábrica de plantas. Sin embargo, así mismo se estableció que, por ejemplo, la eficiencia del uso del agua y el CO2 en un invernadero cerrado en los Emiratos Árabes Unidos es casi comparable a la de una fábrica de plantas y que, aunque la eficiencia energética en una fábrica de plantas es mayor, el agricultor tiene que pagar una gran parte en términos de electricidad, mientras que los invernaderos se benefician de la energía solar “gratuita”.

Muchos ponentes señalan que la viabilidad económica de las fábricas de plantas sigue siendo un desafío. El profesor Kozai comenta que no debemos pensar en los precios de costo de hoy, sino extrapolarlos a 2025. Sin embargo, nadie da cifras económicas cuantitativas completas. Algunos conferencistas aportan algunas reglas para estimar el rendimiento del sistema, de modo de que se puede alcanzar una eficiencia máxima de 30-35 g/mol en lechugas. Las fábricas de plantas están evolucionando en todo el mundo, en Japón, Corea, Taiwán, China, Singapur, Estados Unidos y Holanda. Otros ponentes señalan que hay que crear nuevos mercados con nuevos productos. También se presentaron y discutieron fábricas de plantas móviles (producción de múltiples niveles en un contenedor).

LAS MÁS MODERNAS TECNOLOGÍAS DE INVERNADEROS A PRECIOS ASEQUIBLES

En la conferencia también se señaló lo importante que es adaptar los sistemas de invernaderos a las condiciones climáticas y socioeconómicas de las diferentes regiones del mundo. En este sentido, hay que considerar un mejoramiento de los sistemas existentes y el diseño de nuevos sistemas. En las zonas mediterráneas, la optimización de la ventilación natural, los materiales de recubrimiento, y los sistemas simples de almacenamiento y evacuación de calor pasivo son claves para mejorar la administración de temperatura y humedad.

Durante el simposio, el foco claramente había sido desarrollar y presentar soluciones de alta tecnología. La tecnología de invernaderos cerrados ha demostrado que funciona en climas áridos como los Emiratos Árabes Unidos. Los resultados de las investigaciones presentadas muestran que los invernaderos completamente cerrados con tecnología de refrigeración pueden reducir el uso de agua de 400 l/kg para la producción exterior a 2,5 l/kg.

Las nuevas tecnologías están a precios cada vez más asequibles y con un tiempo de procesamiento de datos más rápido. Los sensores o cámaras (por ejemplo, 3D o térmicas) de la industria del juego (por ejemplo, Kinect, Flier o cámaras térmicas Seek para iPhone) pueden utilizarse potencialmente para aplicaciones de invernadero.  Con un modelo de cultivo en 3D, se podrán ver ante nuestros ojos los escaneos 3D de cultivos para el modelado de la realidad virtual de invernaderos. Esto ayudará a construir modelos más detallados de la realidad y a predecir y optimizar nuestros sistemas de producción de cultivos. La detección en línea de cultivos por cámara ayuda a observar la estructura del dosel vegetal (cambios morfológicos visibles, índice del área de una hoja [LAI],  ángulo de la hoja, color, absorbancia espectral), actividad fotosintética (fluorescencia de clorofila, conductancia estomática), estado del agua, metabolitos secundarios (N, vitamina C, licopeno) o enfermedades (imágenes hiperespectrales). 

Actualmente, la detección en línea ofrece más información a los agricultores.  En el futuro, podría ser útil la Internet de las Cosas (IoT), grandes volúmenes de datos (big data) e inteligencia artificial para controlar automáticamente los sistemas de producción de cultivos. Se utilizan y presentan diferentes técnicas de modelado como modelos de cultivo 3D, modelos de trazado de rayos, y Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). Tal parece que el futuro se centrará en comprender el entorno 3D (estructura de cultivo, entorno luminoso, microclima) con más detalles en lugar de utilizar modelos simplificados. Esto es posible gracias a tecnologías más baratas y poderosas.

 

NECESIDAD DE ESTANDARIZAR DATOS COMPARABLES EN TODO EL MUNDO

La reunión de Greensys2017 fue nuevamente una clara demostración de que el potencial para una producción de invernaderos más grandes y mejores todavía existe en todo el mundo. De la reunión de Beijing se desprenden las siguientes conclusiones:

• La futura optimización del sistema no es solo para el rendimiento y la calidad de los cultivos, sino que también debe prestarse plena atención a la viabilidad económica y a la eficiencia en el uso de los recursos.

• En general, los investigadores deberían recopilar cifras cuantitativas comparables sobre la eficiencia hídrica, energética, laboral y territorial de varios sistemas de producción. Estas cifras permitirán una buena comparación y optimización de nuestros futuros sistemas de producción de alimentos.

• Atención total a los sistemas de producción en las fábricas de plantas.   Deberían recopilarse y compartirse cifras económicas más comparables. También es necesario prestar atención a nuevos cultivos y mercados.

• Tendencias en luces LED: cambio de luces de un solo color a blanco, atención a la luz verde y roja lejana.

• La iluminación LED abre muchas posibilidades para el control de la fotosíntesis, morfología, desarrollo y crecimiento de plantas, así como la calidad del producto en la producción de plantas en invernaderos o granjas verticales.

• Tendencias en la detección y control en línea: uso de sensores y sistemas de cámaras más potentes y baratos, así como de inteligencia artificial para la interpretación de datos

• Tendencias en la modelización: desde modelos simplificados hasta modelos 3D de cultivo, luz y clima para entender la realidad, primeros pasos hacia la realidad virtual.

• Respecto a la investigación de las plantas, se necesita más atención en la interacción entre las diferentes condiciones de crecimiento y procesos de la planta, así como en las fluctuaciones de las condiciones climáticas.

• El control del clima debería centrarse más en el microclima cerca de los órganos vegetales que en la media climática del invernadero.

HORTICULTURA URBANA: NO SÓLO PRODUCCIÓN DE ALIMENTOS

El profesor Montero, del Instituto de Investigación y Tecnología Agroalimentaria (IRTA), pronunció un discurso de apertura con énfasis en la sustentabilidad de los sistemas de producción de invernaderos y su integración en edificios y ciudades.  Se sabe que la población mundial está creciendo. Por otro lado, mientras la población de las zonas rurales se mantiene constante, se espera que la población de las zonas urbanas siga creciendo y con ello el aumento de la demanda por alimentos. Junto al desarrollo de los sistemas tradicionales de invernaderos, se exploran nuevas soluciones urbanas como jardines comunitarios, techos verdes, granjas verticales, granjas interiores (fábricas de plantas) e invernaderos en el techo. La agricultura urbana está de moda y va más allá de la producción de alimentos ya que también presta servicios ambientales y sociales interactuando directamente con los mercados urbanos locales.  Los edificios pueden intercambiar recursos (energía, agua, CO2) potencialmente con un invernadero en la azotea.  Montero nos muestra que la producción de tomate en un invernadero de este tipo es posible en la ciudad de Barcelona y que se pueden obtener ventajas energéticas intercambiando calor del invernadero y del edificio. El diseño de estos invernaderos en el tejado puede ser optimizado para aumentar la producción de hortalizas, por lo que es necesaria una buena comunicación entre arquitectos y agrónomos.

En general, a futuro debería prestarse más atención a lo que hacemos con los recursos, desechos y energía, por ejemplo, el uso de las aguas residuales de la producción de cultivos para los sanitarios, el uso del aire rico en CO2 para la producción de cultivos. La evaluación del impacto ambiental de los diferentes sistemas de producción de cultivos ayudará en el futuro proceso de optimización. Hay que pensar en reutilizar los residuos vegetales agrícolas (por ejemplo, fibras de tomate para losas de aislamiento).

Durante la conferencia, por ejemplo, quedó claro que el valor de los recursos críticos debe ser evaluado, ya que mientras el recurso crítico en Singapur es el uso de la tierra, en los Emiratos es el uso del agua y en el norte de Europa es la energía.

¿ES EL MICROCLIMA CERCANO A LOS ÓRGANOS DE LA PLANTA MÁS IMPORTANTE QUE EL CLIMA GLOBAL DEL INVERNADERO?

El profesor Marcelis de la Universidad de Wageningen y del Instituto de Investigación de esa misma casa de estudios, pronunció un discurso magistral en el que destacó la importancia de comprender plenamente la fisiología vegetal de los cultivos. Señaló la importancia de conocer los efectos de los factores de crecimiento individuales (por ejemplo, luz, temperatura, CO2) en el crecimiento y desarrollo de las plantas. Sin embargo, también hay que desentrañar el efecto de la fluctuación de estos factores en el corto o largo plazo. Las fluctuaciones de luz en el invernadero son causadas por las nubes, así como por la sombra y el reflejo de la construcción del invernadero. La fluctuación de las intensidades lumínicas tiene varias implicaciones importantes: reducen la eficiencia del uso de la luz, pueden marcar los fenotipos no visibles a la luz constante, y pueden cambiar la aclimatación de la fotosíntesis foliar a la luz.  La estimación del rendimiento en invernaderos o campos abiertos, basada en la investigación en habitaciones controladas por el clima, podría llevar a sobreestimaciones.

Además de eso necesitamos entender el efecto de la interacción de múltiples factores. Sólo entonces podremos optimizar los futuros sistemas de producción de cultivos. Cuando la radiación aumenta en un invernadero normalmente va acompañada de un aumento de la temperatura y una menor concentración de CO2. Además, la temperatura óptima es más alta mientras más alto sea el CO2.

En el futuro necesitaremos entender cómo influye el microclima en los procesos de las plantas, en su crecimiento y en el desarrollo de las mismas, tales como su arquitectura, el crecimiento de los diferentes órganos de la planta, por ejemplo, una mayor temperatura en el meristema.  El manejo de los cultivos influye en la fisiología del cultivo y en el rendimiento final, p. ej., la selección de hojas influye en la interceptación de la luz, en la transpiración de los cultivos y en la resistencia al hundimiento. Marcelis postuló que muchos cultivos producen demasiadas hojas: un índice de área foliar de 4 significa que casi toda la luz es interceptada. Por ejemplo, el crisantemo y el pimiento dulce alcanzan un índice de área foliar de 7 u 8, respectivamente. Reducir la inversión en follaje por la eliminación de hojas jóvenes, lo que lleva a un índice de superficie foliar superior a 4 como en tomate y frutilla, podría aumentar el rendimiento en un 7-10%. También indicó que pueden existir grandes diferencias entre la temperatura del aire y la temperatura de la planta hasta (5oC). Esto puede conducir a un control de clima no óptimo ya que la temperatura del aire se mide, pero la planta reacciona a la temperatura de la planta.

Un factor de crecimiento puede variar en diversas dimensiones. Un ejemplo de ello es la luz, que puede variar en intensidad, temporización, posición, distribución geométrica, espectro y fluctuación en el tiempo durante la producción del cultivo. Todos estos aspectos deben tenerse en cuenta para una producción óptima.

No sólo en las fábricas de plantas logró relevancia la luz LED sino también en los invernaderos. Las luces LED son mucho más eficientes energéticamente. Se mencionó un valor de 2,7 µmol m-2 s-1 por cada J de electricidad, mientras que las mejores lámparas HPS tienen un rendimiento de 1,85. Sin embargo, para los sistemas HPS más antiguos utilizados en EE. UU., por ejemplo, esta eficiencia es mucho menor (a menudo sólo en torno a 1,2). Varios investigadores señalaron la importancia de la luz roja lejana en los sistemas de iluminación de invernaderos, lo que podría mejorar la compartimentación de asimilados a la fruta.