Tecnologías de producción agrícola para una sociedad sostenible: Invernaderos e Hidroponía- Una revisión

Elizabeth Ramírez

Elizabeth Ramírez

Olenka Alberca

Olenka Alberca

Ivan Teves

Ivan Teves

Revista Científica SCIENTIA, Vol 2. Agosto 2020

scientiaunalm@gmail.com

Lima, Perú

Disponible Online en www.journalscientia.com/larevista

Artículo de revisión

Tecnologías de producción agrícola para una sociedad sostenible: Invernaderos e Hidroponía- Una revisión

Elizabeth Ramírez1, Ivan Teves1, Olenka Alberca1

1Círculo Estudiantil Molinero de Fitopatología (CEMF), Universidad Nacional Agraria La Molina

Resumen:

Ante el incremento de la población mundial, la urbanización y el cambio climático, surge la necesidad de incorporar nuevas tecnologías que contribuyan al aumento de producción de alimentos mediante el uso eficiente recursos naturales y el mínimo impacto ambiental. En ese sentido, los invernaderos y la hidroponía son sistemas agrícolas que permiten la obtención de alimentos con el uso eficiente de agua y energía, así como de sustratos con soluciones nutritivas adecuadas para el crecimiento y desarrollo de las plantas, todo esto en espacios reducidos y controlados. Así, si se tiene un conocimiento adecuado sobre su manejo, es posible optimizar los recursos a disposición y garantizar la seguridad alimentaria.

Palabras Clave:

 Invernaderos, protección, tecnología, hidroponía, sistemas.

Introducción

En la actualidad, se tienen diversas limitantes para la producción de alimentos como el aumento de la urbanización, en consiguiente, la reducción de los campos para la agricultura. Sin embargo, el factor limitante más decisivo es el cambio climático, que trae consigo eventos perjudiciales que alteran el manejo agronómico. Ante esto, surgen necesidades de incorporación de tecnologías para la protección de los cultivos. 

La tendencia de la producción en invernaderos va en aumento, tal es así que en el  2015, la producción hortofrutícola total fue de 22 millones de hectáreas y el rendimiento total de hortalizas de 785 millones de toneladas, de los cuales 260 millones de toneladas provenían de cultivos protegidos. Mientras que en el 2016, Asia contó con la mayor superficie de cultivos protegidos del mundo con 3,7 millones de hectáreas de este tipo de estructuras[1].

De igual manera, la hidroponía hoy en día se establece como una opción para la producción agrícola, debido al uso eficiente de agua y sustratos alternativos y accesibles como la cascarilla de arroz. 

Esta revisión tiene por objetivo presentar a los invernaderos y la hidroponía como alternativas para la producción agrícola. Asimismo, se describirán los tipos de invernaderos y las tecnologías que abarcan, así como las ventajas y riesgos que deben ser considerados para un óptimo uso de los mismos. Estos sistemas de producción son alternativas que permiten un mejor control del rendimiento, calidad, valor de producto y sobretodo aprovechamiento de recursos naturales con el mínimo impacto ambiental.

Invernaderos

Los invernaderos son un sistema agrícola  muy tecnificado y con requerimientos específicos, orientados hacia una óptima producción de cultivos. Esto es posible debido a su estructura cerrada, con una cubierta y paredes transparentes planas y curvas, donde es posible controlar la temperatura, la humedad, el nivel de nutrientes, el fotoperiodo, la intensidad luminosa, la concentración de CO2 atmosférico, los sistemas de fertirrigación y el medio radicular [2]. Este tipo de estructuras se encuentra dentro del grupo de cultivos protegidos, junto con los túneles plásticos, los cuales poseen cualidades similares [3].

La mayor extensión de invernaderos en todo el mundo se encuentra actualmente en Asia, donde representa un 90% del total. El resto se distribuye en Europa, con un 6,4%, y América, con 1,4% de la superficie global de invernaderos. La tendencia va en aumento y esto se debe en gran a medida a seis fuerzas [3]:

a) Aumento de la población mundial, la cual se estima que será de 6 a 9 mil millones de personas en 2050.

b) Aumento de la urbanización en más del 50% de la población mundial, lo que lleva a una mayor demanda por recursos alimentarios más cerca de las ciudades.

c) Aumento de los ingresos y el poder de compra en mercados en crecimiento.

d) Cambio de foco de la apariencia externa, ingredientes para la salud y productos de conveniencia.

e) Seguridad alimentaria y trazabilidad.

f) Sustentabilidad, reducción en la huella ambiental.

Tipos de invernadero

Existen distintos tipos de invernaderos con características diferenciadas para cada uso. A continuación presentamos algunos de ellos de acuerdo a la forma que presentan: 

a) Invernadero de capilla simple, doble capilla

El invernadero tipo capilla se caracteriza por poseer un techo que forma uno o dos planos inclinados, según sea a una o dos aguas. Los invernaderos de doble capilla, en cambio,  están formados por dos naves yuxtapuestas. En el primero, se realiza ventilación a través de ventanas frontales y laterales; sin embargo, cuando se tienen estructuras formadas por varias naves, la ausencia de ventanas cenitales dificultará la ventilación. Ello no ocurre en las de doble capilla, pues cuentan con ventanas cenitales en la cumbrera de los dos escalones que forma la yuxtaposición de las dos naves. 

Así en cuanto a ventilación vertical, el invernadero de doble capilla  es uno de los mejores invernaderos, pero su construcción es más costosa y dificultosa en comparación a la capilla simple, por lo que no se ha extendido demasiado [4].

             Figura 1: Invernadero de capilla simple

                Figura 2: Invernadero de capilla doble

b) Invernadero plano

El invernadero plano posee dos partes diferenciadas: vertical y horizontal. Generalmente son utilizados en zonas con escasa precipitación. 

Son muy económicos en cuanto a su construcción, con alta adaptabilidad al terreno, mayor resistencia al viento y gran uniformidad luminosa. Sin embargo, posee una deficiente ventilación, se requiere demasiada especialización en su construcción y conservación, lo que contribuye a un rápido deterioro de la instalación [5].

                        Figura 3: Invernadero plano

c) Invernadero asimétrico

El invernadero tipo asimétrico es también conocido como invernadero tropical, dado que se usa en zonas de climas tropicales [5].

La geometría asimétrica permite que uno de los lados más inclinados capte mejor la radiación solar durante el invierno, para aprovechar al máximo su incidencia [5]. Por ello es importante que el invernadero se oriente en sentido este-oeste, paralelo al recorrido aparente del sol [4].

El montaje es rápido y sin utilización de soldaduras, se puede instalar ventilación cenital a sotavento y aprovechar mejor  la luz en época invernal [5].

                Figura 4: Invernadero asimétrico

 

d) Invernadero túnel o semicilíndrico

El invernadero túnel o semicilíndrico se caracteriza por la forma de su cubierta y su estructura totalmente metálica. Su empleo se está extendiendo debido a su mayor capacidad para el control de los factores climáticos, gran resistencia a fuertes vientos y su rapidez de instalación por contar con estructuras prefabricadas [4].

Por otro lado, permite la instalación de sistemas de climatización, reduce considerablemente el problema de la condensación y goteo de agua, y permite un buen reparto de la luminosidad interna [5].

      Figura 5: Invernadero túnel o semicilíndrico

Niveles de tecnologías

Los niveles de clasificación de los  invernaderos se dividen en tres: alto, medio y bajo. Su uso dependerá de las prioridades del agricultor [6].

Así, a medida que se escala en nivel, se tiene mayor sofisticación en el empleo individual o conjunto de tecnologías. De tal manera que se puede optar por el uso del sistema de fertirrigación, la mecanización de labores culturales, los sistemas de climatización, los sistemas informáticos de control climático y sistemas de ahorro energético. Todo ello garantiza el óptimo desarrollo de las plantas al interior, así como la reducción de plagas y/o enfermedades, evitando el uso excesivo de agroquímicos [7].

a) Sistemas de fertirrigación

En la actualidad, las modernas instalaciones de fertirrigación se controlan por ordenador con sistemas de diseño específico, ya sea con microcontroladores o mediante autómatas programables. Mientras que el aporte de nutrientes se realiza en función de las necesidades del cultivo por medio de inyecciones [8].

Las inyecciones se pueden realizar a través de sistemas de venturis o bombas de inyección. Estas se gestionan mediante electroválvulas que se abren cuando reciben el impulso eléctrico desde el automatismo controlador. Así, cada inyección se realiza por pulsos eléctricos del orden de milisegundos, de forma que la abertura se va realizando sucesivamente hasta que la lectura de los parámetros de control, conductividad eléctrica (C.E.) o pH, se ajusten al valor deseado [8].

b) Mecanización de labores culturales

La pulverización hidráulica consiste en producir gotas de pequeño tamaño, al pasar el líquido de tratamiento por una boquilla cuya sección de paso tiene un diámetro muy pequeño[8].  

Cada boquilla constituye parte final  de una red fija. Se parte con un

depósito agitador en el que se realiza la mezcla de tratamiento, seguido de una bomba de impulsión que permite dotar de presión al caldo que se va a pulverizar, finalmente una red de distribución compuesta por una tubería primaria de polietileno. Cada una de ellas está colocada de forma paralela a los pasillos y en diversos puntos de conexión distribuidos a lo largo del invernadero [8]. 

Por otro lado, los ventiladores están provistos de una boquilla, por la que se inyecta el líquido de tratamiento que se mezcla con el aire, generando una nebulización de microgotas. Este sistema permite una distribución uniforme del tratamiento en forma de niebla que impregna todas las zonas del cultivo, disminuyendo el riesgo de un aporte excesivo de producto que pueda quemar las hojas o frutos [8].

c) Sistemas de climatización

Los sistemas de climatización tienen por objetivo controlar condiciones de humedad y ventilación interna. Para ello, es necesario incorporar tecnología en cuanto a maquinarias y equipos, de modo que se obtengan altos rendimientos, la mejor calidad de producción final y la modificación de los periodos de máxima producción [8]. 

Una de las tecnologías es la mecanización de la ventilación natural basada en la instalación de motores eléctricos que permiten el acondicionamiento en el proceso de cierre y apertura de las ventanas [8].

 

Actualmente se utilizan tres tipos de motores: motorreductores, que acondicionan las ventanas mediante un sistema de piñón-cremallera; el motor enrollable, que usan las ventanas laterales permitiendo enrollar el plástico hacia un eje; y el motor con ventilación central, empleada para zonas cálidas [8].

A los sistemas de motores se les incorpora sistemas de ventilación forzada mediante extractores e instalaciones de evaporación de agua mediante nebulización. Asimismo, se les puede añadir sistemas de refrigeración por evaporación de agua [8].

d) Sistemas informáticos de control climático

Este sistema se basa en el desarrollo de previsiones meteorológicas, balances de energía en el invernadero y modelos de crecimiento de las plantas, lo que permite obtener rendimientos homogéneos[8].

Actualmente,los fitomonitores son usados dentro de este tipo de sistemas. Estos miden parámetros relativos a las plantas, como crecimiento del fruto y tallo, flujo de savia o temperatura de la hoja [8].

e) Sistemas de ahorro energético

La mayor tecnología que debe producirse en los próximos años debe ser la disminución del consumo energético, por ello en Europa se está trabajando en  reducir la energía en un 20-40% en los invernaderos[8].

La primera medida de ahorro energético ha sido mejorar el aislamiento térmico utilizando materiales de cubierta térmica (impermeable a las radiaciones infrarrojas de onda larga).Otra medida consiste en tener compartimiento para reducir la necesidad de calefacción y refrigeración, la cual es empleada para invernaderos con fuertes desniveles. 

Si bien en los invernaderos con sistema de calefacción se instalan quemadores que regulan la cantidad de combustible, es necesario implementar una de las medidas señaladas. Así permitir la circulación del aire y evitar una concentración elevada de aire frío o aire caliente [8].

Ventajas y riesgos

Las principales ventajas de los invernaderos son la reducción del periodo juvenil de las plantas, ya que se puede adelantar la cosecha frente a los cultivos al aire libre, esto conlleva al aumento de la floración y superficie foliar, dando así una alta capacidad fotosintética. También se protege a las plantas frente a las condiciones climáticas adversas, como el viento, golpe de sol y granizos, dando la posibilidad de reducir daños por plagas y/o enfermedades [9].

Por otro lado, en cuanto a las desventajas de los invernaderos, tenemos que los de bajo nivel afectan la salud de los trabajadores ya que al no tener un adecuado uso de estos invernaderos su capacidad para manejarlo también se ve reducida a diferencia de trabajadores que manejan invernaderos de medio y alto nivel [6].

También presentan un elevado costo por la implantación y reposición de cubiertas, la necesidad de introducir agentes polinizadores y la necesidad de tener todos estos sistemas tecnológicos controlados [9].

 

Hidroponía

La hidroponía es un tipo de Cultivo Sin Suelo (CSS), donde las raíces son abastecidas de nutrientes con una solución nutritiva. Actualmente existen dos sistemas de hidroponía pura, el NFT (nutrient film technique) y NGS (new growing system). Estos son sistemas cerrados que permiten la recirculación y rebombeo de soluciones nutritivas a través de canales en donde, a su vez, se desarrollan las raíces del cultivo [10].

La preparación de soluciones nutritivas dependerá de la calidad del agua, así como de las necesidades del cultivo; sin embargo, la composición de estas soluciones va cambiando con el tiempo a medida que cambia la demanda de nutrientes del cultivo [10].

Sistemas de hidroponía pura

Por el tipo de gestión de agua, podemos diferenciarlos en sistemas hidropónicos abiertos y cerrados. Los sistemas hidropónicos cerrados se caracterizan por un buen uso del agua, ya que la solución nutritiva se mantiene recirculando dentro del sistema. Algunos de estos tipos de sistemas hidropónicos son:

a) Raíz flotante

La raíz flotante es una técnica donde las raíces se suspenden en una cama de agua con nutrientes con buena oxigenación [11], y es una de las primeras técnicas en desarrollarse [10]. Para este sistema se recomienda tener en cuenta los factores de calidad de agua, junto a la aireación u oxigenación de la misma. Además, es indispensable tener un óptimo estándar de la solución nutritiva, así como un buen manejo y prácticas culturales en el invernadero [12].

b) NFT (nutrient film technique)

En este sistema se hace recircular una película de agua con nutrientes en unos canales donde se encuentran las raíces 

[10]. A diferencia del anterior, la eficiencia de este sistema es que la oxigenación se consigue cuando el agua es bombeada para recircular por los canales, lo que reduce la mano de obra en este tipo de sistema.   

c) Aeroponía

La aeroponía es una técnica que proporciona nutrientes a la raíz en forma de una nebulización [13].

Por otro lado, los sistemas hidropónicos abiertos utilizan un sustrato poroso que sustituye al suelo, donde la solución nutritiva es aplicada una sola vez en el cultivo [10]. Los sustratos que son usados son arena gruesa, piedra volcánica como la vermiculita, perlita fibra de coco, fibra de madera entre otros [10].

Ventajas y desventajas

Una de las ventajas, como ya se ha mencionado, es el uso eficiente en el consumo del agua; en este sentido la aeroponia sería la indicada. Por otro lado, a medida que aumenta la cantidad de producción en este sistema, este se complica por su propio manejo. Por ello, el sistema de NFT sería el más eficiente en este aspecto, además de ofrecer una mayor producción y rentabilidad [13]. 

Un factor a considerar de estos sistemas recirculantes es la variación de los nutrientes en la solución por la absorción de estos por las raíces en un tiempo, y algunos problemas fitosanitarios por la contaminación del medio por hongo[10].

Estos sistemas son sostenibles, ya que aportan en aspectos medioambientales como la gestión del agua así como del sustrato a usar [10].

Un ejemplo es la instalación de  cultivos exigentes como el arándano en suelos no aptos para este,  reemplazando el suelo por bolsas de cascarilla de arroz, dándole así las condiciones favorables [14]. 

También reducen el tiempo de cosecha, ya que acelera el crecimiento de los cultivos con el buen manejo de la nutrición, también se pueden sacar cosechas fuera de temporada, complementando estos sistemas con algún tipo de invernadero [14].  

Conclusiones 

Existen diversos invernaderos con tres tipos de tecnologías, el empleo de cada uno dependerá del objetivo de producción y el capital disponible para la implementación de uno o varios sistemas. Actualmente se tiene una perspectiva favorable al uso de la hidroponía, puesto que se puede manejar producción cultivos, sin la necesidad de un suelo para sino soluciones nutritivas con aireación o sustratos porosos que son suficientes para soportar distintas plantaciones con exigencias particulares como el arándano. Asimismo, se pueden obtener alimentos con la nebulización de agua, manejando el cultivo de acuerdo al conocimiento agronómico para obtener los mejores resultados.

En ese sentido, los invernaderos y la hidroponía son sistemas agrícolas que permiten la obtención de alimentos con el uso eficiente de agua y energía. Asimismo, la tendencia en su uso garantiza la seguridad alimentaria con un mínimo impacto ambiental.

Referencias

  1. Red agrícola. Novedades tecnológicas en invernaderos y fábricas de plantas[Internet]. Chile: Red agrícola; 2017 [citado el 14 de agosto de 2020]. Disponible en: https://www.redagricola.com/cl/novedades-tecnologicas-en-invernaderos-y-fabricas-de-plantas/
  2. Alviter D, Granados D. Construcción y manejo de invernaderos en la producción de jitomate (Licopersicum esculentum, Mill) para el valle del Mezquital, Hidalgo. Revista Chapingo Series Zonas Aridas. 2005; 5(1): 13-17. 
  3. Red agrícola. ¿Sobrepasaron el óptimo económico los invernaderos de alta tecnología?[Internet]. Chile: Red agrícola; 2017 [citado el 14 de agosto de 2020]. Disponible en: https://www.redagricola.com/cl/sobrepasaron-el-optimo-economico-los-invernaderos-de-alta-tecnologia/
  4. Barrera E, Herrero R, Meraz A. Invernadero inteligente [Internet]. México: Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica; 2014 [citado el 14 de agosto de 2020]. Disponible en: https://tesis.ipn.mx/jspui/bitstream/
  5. Agromarketing. Tipos de invernadero. Clasificación y características. Construcción y equipamientos[Internet]. España: Larrazabal M; 2020. [citado el 14 de agosto de 2020]. Disponible en: https://www.bialarblog.com/tipos-de-invernadero-clasificacion-caracteristicas/
  6. Ortega D, Martínez C, Waliszewski S, Ocampo J, Huichapan J, El E, Soto G y Pérez B. Nivel Tecnológicos de invernaderos y riesgos para la salud de los jornaleros. Nova scientia, 2017; 9(18): 21-42. [citado el 15 de agosto de 2020]. Diponible en: https://doi.org/10.21640/ns.v9i18.730 
  7. Muiño E, Botta E, Pérez A , Ballester D, Moreno F, Rodríguez E y Fernández R. Sistemas de manejo integrado de plagas como alternativa al uso del bromuro de metilo en la producción de cultivos protegidos, flores y ornamentales. Boletín Fitosanitario. 2007; 12(1): 1-71. 
  8. Valera D y Molina F. Diego Luis Valera Martínez y Francisco Domingo Molina. Phytohemeroteca. 2008; 199(1). [citado el 15 de agosto de 2020]. Disponible en: https://www.phytoma.com/la-revista/phytohemeroteca/199-mayo-2008/evolucion-tecnologica-de-los-invernaderos
  9. Galán V. Ventajas y desventajas del cultivo del mango (Mangifera indica L.) en zonas subtropicales y potencial del cultivo bajo invernaderos. Acta Horticulturae. 2015; 1075: 167-177. [citado el 15 de agosto de 2020]. Disponible en: 10.17660/ActaHortic.2015.1075.19

 

10. Muro Erreguerena, Julio. Tecnologías de producción en CSS y sostenibilidad de estos sistemas. Scielo [Internet]. 2012 [citado 15 agosto 2020];(11). Disponible en: https://scielo.conicyt.cl/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0718-34292012000100001 

11. Cultivo Hidropónico.info. Sistema hidropónico de raíz flotante [Internet]. Perú: Cultivo Hidropónico.info; 2020 [citado 15 agosto 2020]. Disponible en: https://cultivohidroponico.info/sistemas/de-raiz-flotante/ 

12. INIA Intihuasi. Módulos Hidropónicos Sistema Raíz Flotante (SRF): producción de lechugas y berros bajo invernadero. Colina San Joaquín s/n, La Serena: E. González, K. Maltés y F. Meza; 2019

13. Asociación hidropónica mexicana A.C. Tipos de sistemas de cultivos hidropónicos [Internet]. México: Asociación hidropónica mexicana A.C.; 2020 [citado 15 agosto 2020]. Disponible en: https://www.hidroponia.org.mx/index.php/hidroponia-sistemas-hidroponicos-ventajas-hidroponia-casera-tecnificada/hidroponia-tipos-de-sistemas-de-cultivo   

14. Redagrícola. La hidroponía crecerá de la mano de la exportación [Internet]. Perú: Redagrícola; agosto 2017 [citado 18 agosto 2020]. Disponible en: https://www.redagricola.com/pe/la-hidroponia-crecera-la-mano-la-exportacion/

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