Producción agrícola controlada

Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias ISSN: 1010-2760 [email protected] Universidad Agraria de La Habana Fructuoso Rodríguez Pérez Cuba

Rojano A., Abraham; Salazar M., Raquel; Llamas G., Álvaro Producción agrícola controlada Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, vol. 13, núm. 2, 2004, p. 0 Universidad Agraria de La Habana Fructuoso Rodríguez Pérez La Habana, Cuba

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PRODUCCIÓN AGRÍCOLA CONTROLADA CONTROLLED AGRICULTURAL PRODUCTION Abraham Rojano A1, Raquel Salazar M2, Álvaro Llamas G3 RESUMEN A diferencia de la producción de bienes industriales donde se puede trabajar día y noche y en diferentes lugares al mismo tiempo, la producción agrícola tiene componentes físicos y químicos en interacción con componentes vivos. Los factores físicos y químicos son factibles de trabajar con enfoques industriales de acuerdo a las reglas básicas del control; sin embargo, el componente vivo de la producción agrícola esta condicionado hasta la fecha por un proceso ineludible: la fotosíntesis. Esto es, una vez que el proceso agrícola inicia, se puede jugar un poco con las variables en el transcurso, sin embargo el final es inevitable como parte de una ley fundamental del ciclo natural, i.e., nacer, crecer, reproducir y morir. Por lo tanto, el proceso agrícola, a grandes rasgos presenta el reto de controlar: a) variables físicas y químicas como función de espacio y tiempo tales como temperatura, humedad, luz, conductividad eléctrica, pH, concentraciones de CO2, relación de actividad fotosintética (PAR), entre otras; y b) variables biológicas como el crecimiento, la producción de biomasa, y transpiración efectiva. Aun mas, el control de las variables mencionadas lleva consigo el desafió de mantener la producción agrícola dentro del campo de la ética y de las restricciones del mercado. Palabras clave: hidroponía, control, fotosíntesis, pH. ABSTRACT In the industrial production, it is plausible to work continuously in space and time, however, when the components are alive as agriculture, there is an insurmountable process yet, that is photosynthesis. When this process starts, we can play a little, but the end is unavoidable as a fundamental part of the natural cycle: to born, to grow, to reproduce, and to die. Consequently, the agricultural process shows the following challenges to control: a) physical and chemical variables as a function of space and time like temperature, humidity, electrical conductivity, pH, CO2, photosynthetically active ratio (PAR), among others; and b)biological variables like growth, biomass production, and effective transpiration. Even

Recibido 15/10/03, trabajo 00/04, puntos de vista 1 Dr., Prof., Universidad Autónoma Chapingo (UACh), Subdirector de Investigación, Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola, km 38.5 Carr. México-Texcoco Chapingo, México Tel. 0159595-21680, y 21678 2Dra., Prof., Subdirector Académico, Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola, UACh. 3 MC., Director del Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola, UACh, E- : [email protected]

more, the control of variables is a strong challenge due to free market and ethical constraints. Keywords: Hydroponics, control, photosynthesis, pH.

INTRODUCCIÓN Para aprovechar mejor las plantas como seres vivos, es imprescindible entender los procesos agrícolas y lograr resultados que se reflejen en cantidades de productos con la calidad suficiente en las temporadas deseadas. Razonar el fenómeno favorece interactuar en las diferentes etapas del ciclo fenológico de tal forma que sea satisfecha la demanda del mercado. Esta es la agricultura controlada, una agricultura que permite conducir el proceso de producción en rangos competitivos y óptimos, desde la siembra hasta la poscosecha. Se dice y escribe fácil, pero el control de sistemas con componentes vivos es uno de los desafíos intelectuales que incluye la interacción de diversas disciplinas científicas. El control de variables agrícolas requiere información, modelos, análisis y síntesis. La información es obtenida a través de dos etapas primordiales; primero, la fase cualitativa donde son descritas y planteadas las variables que afectan el fenómeno; segundo, la fase cuantitativa donde son medidos o estimados los parámetros para construir bases de datos. Además, los modelos son herramientas fundamentales para construir escenarios futuros probables y para preparar medidas preventivas. El análisis es el componente que permite indagar y buscar nuevas alternativas para el manejo de información y la construcción de nuevos modelos. Dentro del ciclo completo de las plantas, el análisis arroja casos interesantes de variables quasi-cíclicas en periodos estaciónales, diarios, y horarios. Ciclos estaciónales como la variación de temperatura, ciclos diarios como la luz del sol, y ciclos horarios como la aplicación del riego intermitente o por pulsos. Finalmente, la síntesis es la conjunción de los elementos anteriores para buscar las condiciones optimas de cada variable o de algunos grupos de ellas. En suma, el control de variables agrícolas es entendida como una tarea interactiva y multidisciplinaria[1] [2] [3]. Originalmente, el proceso agrícola es ligado con acciones divinas, y el control es llevado a cabo completamente por el azar y el destino; sin embargo, el ser humano en su propósito continuo de influir alrededor de su entorno, con el tiempo ha detectado que variables como la temperatura, nutrientes como elementos mayores y menores, pH, radiación, humedad, evaporación, conductividad eléctrica, sabor, color, uniformidad, entre muchas otras mas, son variables factibles de influir y finalmente susceptibles de controlar. El ser humano va creando su propio medio ambiente, cuyo precio consiste en llevar a cabo un mayor trabajo alrededor de la planta y una mayor inyección de energía, ya sea en sus raíces, o su parte aérea como tallo, hojas, flores y frutos. Primero, ejerciendo acciones en las raíces, proporcionando la cantidad de humedad apropiada con riegos de gravedad, aspersión, o goteo; esto para permitir a las raíces la fácil absorción de nutrientes. Después, se aplican soluciones nutritivas con enfoques hidropónicos para favorecer aun mas la absorción de nutrientes. No es remota la aplicación de agua con temperatura controlada para influir en la viscosidad dinámica de las mezclas y por lo tanto en la conductividad

eléctrica. Segundo, la atmósfera que rodea a las plantas es modificada con el uso de una cubierta de vidrio, plástico, malla sombra o la combinación de ellos. Este confinamiento permite obtener condiciones especiales de radiación y distribución de temperaturas que requieren ingeniería de ventilación y enfriamiento; así como de calentamiento en periodos críticos de épocas invernales. La tendencia es buscar la construcción de invernaderos con buena distribución de temperatura, mejor manejo del cultivo, y de viabilidad económica. Esto es realmente ingeniería donde convergen las disciplinas de mecánica de sólidos como resistencia de materiales, mecánica de fluidos, transferencia de calor y masa, entre otras. Asimismo, la tarea de predecir escenarios, evaluar los cambios de flujos, y optimizar las variables implican la aplicación directa de matemáticas, computación, como ciencias básicas. Las matemáticas en la construcción de modelos y su implantación con diferentes algoritmos. La computación en la ejecución de operaciones repetitivas y las ciencias básicas en la explicación de las variables involucradas(Figuras 1 a 4).

Figura 1. Caso típico de un invernadero en la Universidad Autónoma Chapingo.

18:12:16 25/05/00

C

14:42:21 25/05/00

4

14:18:54 25/05/00

14:01:23 25/05/00

13:43:52 25/05/00

13:26:21 25/05/00

B

11:49:27 25/05/00

10:17:56 25/05/00

9:42:57 25/05/00

7:35:07 25/05/00

5:15:08 25/05/00

A

2:55:08 25/05/00

0:35:09 25/05/00

22:15:09 24/05/00

3

20:26:48 24/05/00

19:58:12 24/05/00

Figura 2. Distribución de temperatura en una sección transversal del invernadero.

8

7

6

5

D pH

2

1

0

Figura 3. Control de pH dentro de rangos aceptables de varios cultivos(5.5, 6.0).

35.0

Water content (%)

30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 10:17:56 11:02:23 12:13:47 21:40:36 23:46:35 1:52:35 3:58:35 6:04:34 8:10:34 15:33:57 18:02:11 13:09:05 21:39:15 3:57:13 10:22:04 21:52:42 4:10:41 10:28:41

0.0

Time (h:min:s)

Figura 4. Control del contenido de humedad dentro de rangos aceptables en un medio de tezontle. Panorama internacional Actualmente, la producción en ambientes controlados es una realidad. El posicionamiento de los consumidores en la determinación de la calidad de los productos agrícolas, ha hecho que se propongan nuevos esquemas de producción intensiva en diferentes partes del mundo, con diferentes climas y hasta varias extravagancias de la sociedad moderna con productos agrícolas novedosos. Así, países con diferentes culturas, idiomas, y desarrollos coinciden en un solo propósito: producción agrícola intensiva. Holanda es referencia obligada en el desarrollo de la agricultura controlada, por lo que a continuación describimos un pequeño bosquejo en base a sus resultados. Producciones de 60 kg/m2/año de jitomate o de 100 kg/m2/año de pepino son una muestra de las capacidades reales de la agricultura moderna. Los resultados no son producto del azar, estos son la convergencia de un esfuerzo intelectual y manual. Las restricciones territoriales, temperaturas extremas, grandes precipitaciones y ríos de agua dulce han sido el detonador para emprender misiones audaces en el área hortícola. La temperatura tiene una distribución anual que les exige materiales transparentes a la entrada de onda corta y bloqueo en la salida de onda larga. Esto explica, en parte sus desarrollos basados en casas de vidrio. El agua es abundante y en consecuencia el problema es drenaje con suelos ácidos. El suelo es generado en forma artificial con altas temperaturas como lana roca, las plantas son injertadas y sometidas a ingeniería genética, y los estudios de mercado son competitivos en los sistemas globalizados. Estos estudios se hacen en una de las

universidades mas prestigiadas y de vanguardia en el mundo sobre ciencias agrícolas. Esta universidad es un complejo o red estructurada de centros de enseñanza, institutos de investigación, compañías de servicio y mercadotecnia, localizada en Wageningen. España es un ejemplo ilustrativo de lo que se puede hacer aprovechando algunas ventajas en el aspecto climático con respecto a Holanda. Específicamente, hablemos de la zona de Almería(frente al mar mediterráneo) con mayor cantidad de horas luz que Holanda y mejores condiciones de distribución anual de temperatura. Asimismo, también se tienen características de escasez de agua dulce y cercanía al mar, pequeñas parcelas, mano de obra barata y reducidos recursos económicos. Actualmente, la región de Almería reporta mas de 30 000 hectáreas con cultivos en invernaderos que la identifica como el “mar de plástico”. Este escenario actual es resultado de un proceso técnico e interesante de describir. Primero, la incorporación de una capa de arena para romper capilaridad y consecuentemente evaporación, y construcción de cercas con varas como cortinas rompevientos. Segundo, la construcción de estructuras básicas basadas en elementos de tensión(alambre) y compresión(laterales). Estas construcciones rusticas empiezan con costos de instalación desde 60 pesos/m2 hasta 700 pesos/m2. Una vez que las estructuras básicas están basadas en elementos de tensión y compresión; las plantas son sostenidas con una estructura interna adicional e independiente de la construcción básica. Tercero, la formación reciente de una universidad competitiva, complementada con institutos, centros de investigación, y una política gubernamental para el desarrollo y estudio de las actividades agrícolas. Actualmente, compañías del plástico, cooperativas, mercadotecnia y el banco cajamarca son referencias fundamentales de la economía regional. México, tan variado en climas, cultivos y costumbres, es un país con aproximadamente 1200 ha en invernadero y producciones de jitomate alrededor de 30 kg/m2/año. Las condiciones ambientales y sociales de algunas regiones son similares a las de Holanda o España. Estas similitudes han generado en agricultores audaces la idea de comprar los componentes físicos de la producción agrícola transnacional. El resultado primario ha sido un completo desastre. Poco a poco, los productores han ido incorporando materiales mas baratos en los sustratos como tezontle y fibra de coco; las estructuras son cubiertas como diversos tipos de plástico. La información y difusión del manejo de cultivo es cada vez mas abundante. En consecuencia, las decisiones futuras deberán ser de mayor certeza y confiabilidad. Esto implica el análisis de una visión integral que no debe dejar de lado la componente estratégica de los mercados de consumo.. El reto es global, político, económico, científico y tecnológico. Globalización La globalización es un fenómeno que implica producción agrícola analizando las estrategias de competidores reales y potenciales. Es el juego donde los equipos conocen las fortalezas y debilidades de los jugadores locales, regionales e internacionales y su relación con el medio ambiente. La globalización geográfica no solo implica la unión de diferentes regiones con condiciones similares en el mundo, sino también en la integración armónica de diferentes profesiones en el área técnica. De hecho, la globalización educativa ha sido un concepto que los científicos serios siempre han practicado en forma cotidiana con la

distribución de los conocimientos. Como resultado inevitable están emergiendo equipos profesionalmente competitivos alrededor de nuevos paradigmas agrícolas. La agricultura moderna no es la excepción, ella requiere de la participación e integración activa de físicos, químicos, matemáticos, biólogos, genetistas, ingenieros, economistas, políticos, y de una gran cantidad de mano de obra. Las acciones de los físicos en la construcción de modelos, los químicos en las soluciones nutritivas, los matemáticos en la solución de ecuaciones en tiempo real, los biólogos en el estudio de la fotosíntesis, los genetistas en el desarrollo de plantas resistentes a plagas y enfermedades, los ingenieros en la construcción de estructuras y manejo de las variables físicas, químicas y biológicas, los economistas en los balances de insumos y productos. Economía La economía es una necesidad prioritaria para determinar las estrategias rentables y apropiadas en corto, mediano y largo plazo. Ganar ahora no implica ganar siempre, ganar ahora en la producción agrícola no es completamente cuestión de suerte, ganar ahora es el resultado de usar varios elementos en forma inteligente. Por ejemplo, producción en fuera de temporada de cultivos a cielo abierto, producción de alimentos ajenos a la región, producción de calidad, y producción con planeación. Estos son algunos de los elementos de la teoría del juego económico.

Política Por otro lado, la política agrícola participa en una negociación comprometida y ventajosa para sus productos. La política es una disciplina que trata mas con el componente humano. Los seres humanos se organizan y actúan de acuerdo con acciones llenas de incertidumbre. Aun cuando se educan los pueblos de acuerdo con sus propias costumbres, existen controversias de nacionalismo, y de consumo influido por campañas publicitarias. La política es el cementante de las acciones grupales y muchas veces los convenios son firmados en tratados para regular los comportamientos abruptos del ser humano que derivan en guerras comerciales. De esta manera se alcanza una uniformidad generalizada en gustos y opiniones. La política es la acción de masas, y sus errores no son desapercibidos, ellos derivan en costos sociales. Ciencia La ciencia es una componente fundamental para construir nuevos escenarios de producción y la búsqueda de procesos productivos competitivos y amigables con el medio ambiente. La historia dice donde inicia la agricultura como un arte de producir; la ciencia en cambio ahora trata de explicar como, donde, cuando se puede producir, y poco a poco el cuanto producir. La ciencia siempre va mas allá de los escenarios de producción rentable. La ciencia explora todos los caminos posibles para llegar a conocimientos nuevos. La ciencia

es un terreno cultivable en las mentes de los científicos y contrastada en los laboratorios de las instituciones dedicadas a la generación de conocimiento. Tecnología La tecnología implica los elementos que derivan de la aplicación de los conocimientos científicos y de los inventos geniales que responden a problemas específicos. La tecnología es la aplicación de conocimiento imposible de comprar pero si factible de adaptar y transferir. La adaptación consiste en utilizar las tecnologías de otros lugares realizando algunos cambios o modificaciones menores en ciertos componentes físicos o abstractos, la transferencia es capacitar al recurso humano en el uso de sistemas existentes. El conflicto de producir mas con el menor precio y esto trae a colación los siguientes escenarios. Primero, una baja inversión lleva consigo varias limitantes en el manejo de las variables que ocurren en el invernadero. Por ejemplo, las construcciones rusticas son una limitante en el control de la temperatura para el caso de cultivos muy especializados o de gran valor en el mercado. Segundo, una inversión moderada genera una infraestructura mas flexible para cubrir un manejo del cultivo con mayor control de algunas variables básicas como la temperatura, aplicación de agua y manejo interno del producto. Tercero, una alta inversión es apropiada para mayor control de las variables en las soluciones nutritivas, las variables ambientales, y los procesos de mecanización. Este escenario es viable para cultivos muy sensibles y de alta rentabilidad. Por ejemplo, producción de plántula, la producción de plantas exóticas, y aquellas de fines farmacéuticos. Adicionalmente en una visión energética, producir mas, con mejor calidad y en las fechas requeridas implica un enorme costo en el consumo de energía. Este es un factor que va en contra de las políticas internacionales sobre la reducción de emisiones de CO2. Dicho conflicto abre un desafió en el diseño de esquemas productivos que satisfagan los estándares del futuro. Los ambientes controlados también pueden ser entendidos como procesos que constan de colectores de energía y bio-digestores. Primero, esto implica utilizar materiales que maximicen la entrada de luz al sistema y segundo, el manejo inteligente de la energía capturada. Así, de esta manera, este es un proceso que involucra completamente movimiento y transferencia de energía, esto es energía procedente del sol transformada en energía química. Estado del arte La producción intensiva de mayor tecnificación incluye la siembra de plantas especializadas, la germinación en condiciones ambientales controladas, el crecimiento con soluciones nutritivas especiales, aplicaciones de soluciones nutritivas con riegos continuos, dosificación de altas concentraciones de bióxido de carbono, y calefacción con agua caliente y quemadores de gas. Esto es en ambientes de temperatura templada y altas concentraciones de humedad. Asimismo, la ventilación forzada y el uso del muro húmedo son elementos fundamentales para regiones con temperaturas altas y bajos contenidos de humedad. En ambos casos, el manejo de las plantas es llevado a cabo de acuerdo con las teorías de máximas ganancias y con un buen control de plagas y enfermedades.

CONCLUSIONES Una vez que la producción empieza a ser significativa en la exportación de hortalizas hasta un 16% del total nacional, este ensayo permite vislumbrar algunas de las líneas de estudio de la agricultura controlada tales como sustratos especiales, estructuras mejores, cubiertas eficientes, ventilación apropiada, riego y control optimo. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Giacomelli, G. A., & Ting, K. C., Horticultural and Engineering Considerations for the Design of Integrated Greenhouse Plant Production Systems. Proceedings of the International Symposium on Growing Media and Hydroponics, Editor Papadapoulos A. P. Acta Horticulturae, No. 48, Vol. 2., pp. 475-485, 1999. 2. Jensen, M. H., Hydroponics World Wide, Horticultural and Engineering Considerations for the Design of Integrated Greenhouse Plant Production Systems. Proceedings of the International Symposium on Growing Media and Hydroponics, Editor Papadapoulos A. P. Acta Horticulturae, No. 48, Vol. 2., pp. 719-729, 1999. 3. Bot G. P. A., Developments in Indoor Sustainable Plant Production with Emphasis on Energy Saving, Computers and Electronics in Agriculture, Elsevier Science, 30(2001)151165.