Monitoreo de condiciones ambientales en invernadero

El rendimiento de los cultivos depende de varios factores: características genéticas, nutrición, manejo y condiciones ambientales (Mengel y Kirkby, 2000). La agricultura es una actividad estrechamente relacionada con los componentes del clima que año con año repercuten en la producción de cosechas, la presencia de plagas, la eficiencia en la absorción de nutrimentos, la demanda de agua por las plantas y la duración de los ciclos vegetativos (Medina et al., 2008).

En los últimos años se presentaron cambios climáticos que tienen impacto sobre el rendimiento, debido a que se alteran los procesos fisiológicos y la adaptación de la especie al medio ambiente (Pozo, 2017); por tal motivo, es necesario conocer las variaciones meteorológicas del sitio de producción (invernadero o cielo abierto).

La temperatura es el nivel de calor de un cuerpo, es la magnitud más utilizada para describir el estado de la atmosfera; es uno de los factores que determina el desarrollo de los cultivos. “La curva típica de la temperatura diaria del aire, no es simétrica. El punto mínimo se sitúa a la salida del sol; la temperatura aumenta hasta después del mediodía, alcanzando la máxima entre las 14 y las 16 horas para después comenzar a disminuir” (Andrades y Múñez, 2012). Con relación a los cultivos es necesario conocer las temperaturas cardinales respectivas, con el fin de evaluar esta variable para proteger a los cultivos. Los procesos fisiológicos de la planta ocurren más rápidamente a medida que la temperatura aumenta entre una temperatura base y una temperatura óptima (Vincent, 1989).

El agua en la atmosfera puede existir en diferentes estados (gas, líquido, y sólido). El estado de agregación se debe a las condiciones físicas de temperatura y presión (Rodríguez et al., 2004). La humedad relativa del aire es cantidad de vapor de agua que tiene el aire comparada con la máxima cantidad de vapor que podría llegar a contener antes de condensarse (Corona et al., 2015).

Ángeles (2012) indica que la humedad relativa es un factor que afecta la evapotranspiración (suma del agua que se evapora del suelo más el agua que transpira la planta), donde a mayor diferencia de potencial entre una superficie de las hojas y el vapor del aire circulante favorece la pérdida de agua de las plantas.

En una zona seca-caliente se necesita mayores cantidades de agua para cumplir la demanda de un cultivo, debido a que se perderá el agua inmediatamente en el aire seco. Por otro lado, en regiones húmedas tropicales, las grandes cantidades de vapor en el aire reducen la evapotranspiración debido a que este aire se encuentra cercano a la saturación (Allen y Pereira, 2006).

La energía luminosa capturada por las plantas la convierten en energía química (Ayala et al., 2011) necesaria para que, junto con el agua y CO2, se realice el proceso de la fotosíntesis, actividad fundamental para formar las sustancias orgánicas indispensables para el crecimiento y desarrollo de los cultivos. Una magnitud con la que se mide la luz es el lumen. La intensidad1 de la luz que incide sobre la superficie, se mide en lúmenes por metro o lux. Sabater (1977) señala que la planta no parece estar preparada para aprovechar la luz de alta intensidad (100,000 lux), sin embargo, con una iluminación baja (4,000 lux) la planta puede realizar la actividad fotosintética.

La humedad del medio poroso (suelo, sustrato) es la variable que permite cuantificar el contendido de agua en estos medios para inferir sobre su disponibilidad para los cultivos; se puede expresar en diferentes formas (v/v, g/g, en unidades de presión [tensión o succión] mb, atm, entre otras). La variación de humedad responde a las condiciones ambientales y a su vez regula varios procesos físicos, químicos y biológicos en el suelo o sustrato (Granda et al., 2013).

De acuerdo con Dörner y Dec (2007) las propiedades físicas del suelo (permeabilidad de aire) y de la vegetación, determinan la dinámica espacio-temporal de la humedad, lo que influye en el transporte de solutos. A medida que el medio poroso se seca, disminuye la conductividad hidráulica que afecta la absorción de nutrimentos por flujo de masas (Amézquita, 1999).

La demanda de extracción de agua del cultivo varía en función de las características del sustrato (Flores et al., 2015), las condiciones ambientales y la etapa fenológica del cultivo (Mengel y Kirkby, 2000) por lo cual, para cumplir con los requerimientos de agua de los cultivos en el momento que la demandan se requiere evaluar la humedad2 del medio poroso en tiempo real mediante sensores (Castro et al., 2008).

Las condiciones ambientales instantáneas de un sistema de producción agrícola son un factor determinante en la evolución fisiológica de las plantas, concediendo un estado de desarrollo generativo o vegetativo de las mismas. En el estado vegetativo la planta dedica su energía para el crecimiento radicular y el follaje. Por otro lado, en el estado generativo la energía se destina a la reproducción, y en caso de excedentes, al crecimiento de brotes, follaje y raíces (EDA, 2010). De tal forma que, encontrar un equilibrio generativo/vegetativo es de suma importancia para manejar los cultivos en función de los requerimientos de la temporada.

En este proyecto se midieron diferentes variables meteorológicas y la humedad del sustrato con el objetivo de probar los alcances funcionales del equipo electrónico (estación agro-meteorológica) en una aplicación real de campo (dentro de invernadero). Se adquirieron datos ambientales para el análisis y toma de decisiones del Grower.

Se instaló un prototipo de estación agrometeorológica modelo UR-2020 en el invernadero (19° 28’ 34” – 98° 53’ 13”) de producción de jitomate el 25 de agosto 2020 (una semana de prueba de operación). Las mediciones se iniciaron en paralelo con la etapa fenológica de plántula. Se midió formalmente por un periodo de tres meses y medio, de septiembre a mediados de diciembre.

La estación agro-meteorológica UR-2020 (Figura 1) es un circuito electrónico de diseño propio, administrado por un microcontrolador (Arduino Mega2560) que cumple satisfactoriamente con las siguientes funciones:

La estación agrometeorológica guarda mensualmente la información de mediciones en archivos de texto (.txt). Estos se procesaron en Excel para obtener valores críticos y las gráficas a través del tiempo.

Las mediciones de temperatura se guardaron en la memoria microSD cada hora como temperatura promedio, al utilizar la temperatura máxima y mínima de cada hora. Esta se estimó con la ecuación 1:

La temperatura mínima en los días de monitoreo fue de 2.25 °C (2 de octubre a las 8:00 a.m.) y la máxima es de 44.38 °C (1 de septiembre a las 16:00 p.m.).

La Figura 2 muestra una tendencia en decremento de la temperatura dentro del invernadero conforme se aproxima la temporada de invierno. La gráfica también revela que después de la primera temperatura más baja después del 2 de octubre, sucedieron otras mañanas frías menores a 10 °C. Esta temperatura es posiblemente menor a la temperatura base de la especie de jitomate en producción.

Las mediciones de humedad relativa horaria (ecuación 2) se guardaron cada hora como humedad relativa promedio al utilizar la humedad máxima y mínima de cada hora.

Por el contrario que la temperatura, la humedad relativa dentro del invernadero presenta una tendencia a incrementar en forma gradual conforme se presenta el inverno.

El día 87 de monitoreo corresponde a un fin de semana largo (20 de noviembre, Aniversario de la Revolución Mexicana), sucedió la condición de humedad relativa más elevada en el periodo de monitoreo (Figura 3). El espacio en blanco bajo la curva en esa fecha revela que esa condición de humedad relativa alta se mantuvo por varias horas. En la Figura 5 se observa que fue un sábado de baja intensidad luminosa correspondiente a un día nublado.

Se estimó la condición del estado por software. De acuerdo con el boletín técnico de producción EDA (2010), la humedad relativa alta y las temperaturas intermedias propician el estado vegetativo de la planta. Por otra parte, la humedad relativa baja y temperaturas alta favorecen el estado generativo. Por tal motivo, se propone la ecuación 3 para identificar el estado instantáneo y se registró cada hora.

El resultado de la variable “estado” define las condiciones propicias para:

Estado < 1 Las condiciones favorecen a un estado “Vegetativo”.

Estado => 1 Las condiciones ambientales son adecuadas para el estado “Generativo”.

La disminución de temperatura y el aumento de humedad relativa repercuten directamente en la condición de desarrollo de las plantas. De acuerdo con la variable estado propuesta, la gráfica muestra primordialmente un estado vegetativo para la mayor parte de tiempo durante el periodo de monitoreo. Después de noviembre las plantas seguramente estaban en la transición de etapa fenológica de floración a fructificación, momento en el cual sería optima la condición de estado generativo.

La variable estado es un indicador importante en la toma de decisiones para un sistema automático de control de cortinas y ventilas cenitales. Además de considerar la temperatura y la humedad relativa es necesario incluir la radiación, las horas de luz, el agua disponible en el sustrato, la conductividad eléctrica y la relación entre nitratos NO₃^- y potasio K⁺.

Las mediciones de luminosidad se guardaron cada hora a partir de la medición inmediata correspondiente a la hora.

El 20 de septiembre a las 15:00 p.m. se registró el mayor valor de intensidad luminosa con 19,745 lux. Los valores de luminosidad dentro del invernadero son menores a los que se podrían medir directamente a la incidencia del sol (Cuadro 1).

La Figura 5 muestra la disminución gradual de la intensidad luminosa a partir del 23 de septiembre. El 21 de noviembre (sábado en fin de semana largo) fue un día de baja intensidad de luminosa, día nublado.

Se midió en forma indirecta la humedad del sustrato con un método de conductividad eléctrica (Figura 6). Se calibraron los electrodos de cobre con el método gravimétrico. Consultar el documento “Medición de humedad en sustrato”.

La Figura 7 corresponde a la gráfica de humedad en el sustrato de tezontle. Se empleó la curva de calibración obtenida en laboratorio para el mismo sustrato DMP=141.47v2 -940.98v+1595.8 [%]. En los primeros días se disparaban los valores de porcentaje de humedad hasta 1595.8%, esto fue debido a una mala conexión de cable conductor de los electrodos v=0 volts. El día 25 de noviembre, el cable fue cortado por accidente en un proceso de poda de la planta. La conexión se corrigió a las 10:00 a.m. del siguiente día. Sucedió algo similar el 8 de diciembre.

La gráfica muestra que la humedad del sustrato se mantiene por encima del 70%. Se da por hecho que existe un esquema de riegos programados por horarios para evitar el estrés hídrico de las plantas.

Con el uso de la estación agrometeorológica UR2020 se logró el monitoreo permanente (24 horas) de las condiciones ambientales a partir de algunas variables meteorológicas: temperatura, humedad relativa, intensidad luminosa; además, fue factible incorporar los electrodos de cobre para estimar el contenido de humedad con el mismo diseño electrónico. El análisis de los datos recopilados ofrece información en la toma de decisiones para futuros temporadas productivas y caracterización del clima dentro del invernadero vinculado a su diseño estructural, plásticos y manejo de cortinas. Sin embargo, para ofrecer una aplicación de precisión con equipo UR-2020, sería necesario programar alertas de condiciones específicas para el manejo en tiempo real, recomendaciones en el uso de fertilizantes con base en las etapas fenológicas, y activación de actuadores de riego de acuerdo con el plan Grower.