La humanidad ha sido consciente durante mucho tiempo del hecho de que una sabia modificación del medio ambiente podría mejorar la productividad de los cultivos.
El uso de invernaderos para la producción agrícola comercial tuvo que esperar hasta que la tecnología estuviera lo suficientemente avanzada para vender los productos, a precios competitivos, en un mercado que, mientras tanto, se había vuelto mucho más rico. Hoy en día, el arte es tal que, en principio, debería ser posible utilizar una computadora de control del clima (junto a una gran cantidad de dispositivos) para producir cualquier microclima.
Sin embargo, esto no necesariamente resultaría en una producción hortícola competitiva, ya que podría consumir mucha energía (suministrada). Además, la gente ahora está comenzando a tomar conciencia de que la energía no debe desperdiciarse ya que su consumo tiene consecuencias de gran alcance para el medio ambiente. Por lo tanto, el objetivo de la gestión moderna de invernaderos podría resumirse así: dejar que el clima del invernadero sea determinado por el clima (clima exterior) en la medida en que sea útil y producir un clima (parcialmente) artificial siempre que sea beneficioso 'para que incluso durante los días claros y fríos [el cultivo] pueda producir al sol, sin daños'.
Aunque el desarrollo de la tecnología informática podría hacer que los sistemas expertos sean con los sistemas de expertos, que resume una línea de pensamiento iniciada por Udink ten Cate et al. (1978), afirmó que la mejor manera de lograr una gestión óptima de los invernaderos era definir un "conjunto jerárquico de subsistemas, donde cada subsistema se optimiza dentro de los límites dictados por los niveles superiores". Esos tres niveles del proceso de toma de decisiones pueden resumirse así:
1. Optimización de la rentabilidad a largo plazo para el productor. En esta etapa se efectúa un compromiso entre el desarrollo del cultivo y la comerciabilidad para absorber el producto. La producción es una tendencia requerida de los procesos de cultivo o algo así como una secuencia de 'puntos de ajuste del proceso';
2. La definición del microclima requerido. Aquí se determina el microclima necesario para alcanzar los puntos de ajuste del proceso (con la debida consideración al clima).
3. Actuación de las consignas de clima. Una vez que se tiene en cuenta el rendimiento del invernadero en respuesta al clima ya cualquier intento de manipular el microclima, se decide la mejor estrategia de control para lograr esos puntos de referencia climáticos.
Solo este tercer nivel de toma de decisiones parece estar al alcance de la gestión de invernaderos actual, gracias a una gran cantidad de investigaciones ya realizadas en los campos de simulación climática de y control climático. Por otro lado, los procesos que determinan la producción de cultivos no se entienden lo suficiente como para que su descripción en forma de ecuaciones esté disponible.
Como se utilizan sistemas de control de clima, los puntos de ajuste de clima deben asignarse de alguna manera. Por lo general, se fijan de acuerdo con reglas derivadas de una experiencia práctica sustancial. El número creciente (y la complicación) de esas reglas delatan las deficiencias del estado actual del arte, en relación con el conocimiento.
borde necesario para un enfoque general del segundo nivel, es decir, la transcripción de los puntos de referencia del proceso en términos de puntos de referencia del clima. Este trabajo puede contribuir a la solución de este problema, aunque todo el libro está dedicado a uno solo de los muchos procesos que afectan la producción de cultivos, es decir, la transpiración. El método desarrollado aquí bien podría proporcionar un modelo para futuras investigaciones sobre otros procesos de cultivo.
Gestión de invernaderos y producción de vapor
La producción de vapor (transpiración) por un cultivo de invernadero es uno de los procesos que a uno le gustaría controlar. Esa es la consecuencia de dos consideraciones bastante diferentes ya veces contradictorias. Una es que se sabe desde hace tiempo que la producción de cultivos está relacionada con el consumo de agua, como lo demuestra ampliamente una revisión reciente de Van Keulen y Van Laar. El otro tiene más que ver con el ahorro de energía. De hecho, la aplicación de dispositivos de ahorro de energía (como doble cubierta, pantallas térmicas o intercambios de aire reducidos), da como resultado una menor tasa de eliminación de vapor, y
una mayor humedad ambiental. Aunque 'las preocupaciones iniciales de que esto podría aumentar la incidencia de enfermedades fúngicas no se han materializado' (Bailey, 1985), a menudo se menciona que la humedad alta afecta negativamente el desarrollo de las plantas, posiblemente como consecuencia de tasas de transpiración reducidas. La reducción de la humedad ambiental por cualquier medio, es un ejercicio costoso y puede eliminar el ahorro esperado de aplicar un mejor aislamiento (Breuer, 1987).
Por lo tanto, cualquiera que sea la razón (por lo tanto, el propósito) para aumentar o reducir la tasa de transpiración de un cultivo mediante la manipulación del clima del invernadero, la relación entre el microclima experimentado por un dosel y su transpiración debe conocerse con precisión. Esta relación, además, tiene que ser conocida en una escala de tiempo adecuada para un algoritmo de climatización, es decir, de unos pocos minutos. Por lo tanto, el alcance de este trabajo podría describirse como un medio para proporcionar más información sobre la forma en que el microclima determina la tasa de transpiración del dosel de un invernadero.
1.2 Balance energético, transpiración y temperatura de los cultivos de invernadero
Aunque los principales factores que afectan la tasa de evaporación de una superficie húmeda se conocían hace unos dos mil años, ya que los filósofos griegos y latinos aparentemente sabían que se veía afectada tanto por el Sol como por los vientos, una comprensión integral del proceso de evaporación aún parecía eludir a los científicos hace apenas medio siglo. En 1926, Bowen proporcionó una descripción teórica de las leyes que gobiernan la pérdida simultánea de calor y vapor de una superficie. Sin embargo, la aplicación práctica en agronomía de los hallazgos de Bowen tuvo que esperar hasta 1948, cuando Penman aportó una sólida base teórica para la comprensión del papel que desempeña la radiación en la determinación de la evaporación de las superficies naturales. Demostró que los principios fundamentales de la termodinámica (la ecuación del balance de energía) y de la aerodinámica (las ecuaciones de transferencia de calor y vapor) podían conciliarse para producir la tasa de evaporación de una superficie de agua abierta, aunque solo fuera la radiación neta de la superficie. cara y se conocían la temperatura, la humedad y la velocidad del viento del aire ambiente.
En 1965, Monteith y Rijtema derivaron de forma independiente una variante del método de Penman, válida para cualquier superficie húmeda (es decir, no necesariamente aguas abiertas). Afirmaron que la evaporación de dicha superficie se ve impedida por una resistencia de transferencia adicional, intrínseca a la superficie. Esta resistencia superficial también tenía que ser conocida para la evaluación de la tasa de evaporación. Como este conocimiento rara vez estaba disponible, los agrometeorólogos solían suponer que la resistencia superficial era pequeña y afirmaron que el método Penman-Monteith-Rijtema (también llamado método de combinación) arrojó, en este caso, el 'potencial ' Evapotranspiración de un cultivo. El hecho de que un cultivo que transpira a la tasa 'potencial' no se encuentra fácilmente en la naturaleza se muestra claramente
por la plétora de definiciones de tal cultivo. Tampoco es ésta la única limitación conceptual a la aplicación práctica del método de combinación.
Para empezar, la mayoría de las marquesinas no pueden considerarse como una simple superficie plana. Esto implica que la evaluación de la cantidad de radiación realmente disponible no es tan sencilla como parece. También significa que el calor y el vapor producidos (o absorbidos) a diferentes profundidades dentro del dosel tienen que superar resistencias de transferencia de magnitudes dispares. Otra implicación es que la superficie a la que pertenece la resistencia intrínseca para la transferencia de vapor ya no se identifica fácilmente. Un dosel se diferencia de una superficie plana también en que sus diversas partes posiblemente estén expuestas a un microclima diferente, por lo que los gradientes de especificidad que aparecen en las ecuaciones de transferencia pueden no ser uniformes.
También hay un problema práctico. La energía realmente disponible para la transferencia de calor sensible y latente es la diferencia entre la radiación neta y el almacenamiento térmico dentro del dosel. La evaluación de este último, sin embargo, requiere que se conozca el curso temporal de la temperatura del dosel, que es exactamente el requisito previo para el que se estableció el método Penman. destinado a obviar. Solo cuando el almacenamiento térmico es pequeño (durante largos intervalos de tiempo o con tiempo estable) el conocimiento de la radiación neta puede ser suficiente para la aplicación exitosa del método combinado. Por lo tanto, no es coincidencia que estas sean también las condiciones para las cuales se reconoce que el método es suficientemente precisa. De hecho, la mayoría de los problemas conceptuales antes mencionados también pueden resolverse por este medio. Por lo tanto, solo los promedios a largo plazo de las resistencias y la radiación neta deben conocerse, y pueden incorporarse en un 'coeficiente de cultivo' empírico mediante el cual se estima la relación entre la transpiración de un cultivo dado y la tasa de transpiración de un cultivo, expuesta al mismo clima.
Un cultivo en invernadero tiene peculiaridades que descartan la simple transcripción de técnicas experimentales desarrolladas para cultivos en un medio más natural. De hecho, la resistencia al intercambio vertical de calor para un cultivo de campo normalmente se estima mediante la suposición de que el dosel está sumergido en una capa límite, caracterizada por un perfil bien definido (logarítmico) de la velocidad del viento. Esta suposición es obviamente falsa para un dosel encerrado en un invernadero. Por lo tanto, la necesidad de evaluar la resistencia de la capa límite dentro de un invernadero implica el desarrollo de una técnica experimental adaptada. Además, la energía radiante disponible para un cultivo de campo generalmente se estima como la diferencia entre la radiación neta medida en una superficie por encima del dosel y el calor transmitido por debajo de la superficie del suelo. Por supuesto, como las fuentes de radiación están presentes dentro de la cubierta de un invernadero, tal método experimental no se puede aplicar aquí.
Obviamente, todas estas limitaciones hacen que el método de combinación no sea adecuado, en esta forma, para el presente propósito de determinar la tasa de transpiración real de un cultivo de invernadero para intervalos de tiempo tan cortos como unos minutos. asitis aquí. Por lo tanto, en este libro se desarrollará una adaptación del método Penman-Monteith-Rijtema, mientras se intenta obviar las dificultades conceptuales mencionadas mediante un conjunto consistente de definiciones y un enfoque paso a paso.
1.3 Alcance de la presente investigación y organización del libro
El alcance de la presente investigación se puede describir como el desarrollo de un método para la evaluación de la tasa de transpiración de la copa de un invernadero, como un proceso físico afectado por el clima del invernadero (en adelante, microclima). Una vez desarrollado, dicho método podría usarse dentro de los sistemas de control climático existentes para regular la transpiración de un cultivo de invernadero de cualquier manera, sugerido tanto por el conocimiento actual sobre el bienestar de los cultivos como por la conciencia de la necesidad de mantener la energía requerida al mínimo. Por supuesto, un modelo para la transpiración del cultivo también podría mejorar la precisión de los modelos de simulación de invernadero actualmente disponibles, ya que la presencia de una copa ejerce una influencia no despreciable en el ambiente del invernadero.
Después del esquema proporcionado en este capítulo, la relación entre el microclima y la producción de vapor se analizará en el capítulo dos. En primer lugar, esto se hará para una superficie húmeda simple como la de una hoja idealizada.
Se muestra cómo el sistema formado por las ecuaciones de equilibrio y transporte de energía y vapor hacia y desde la superficie puede resolverse analíticamente, bajo algunas suposiciones, para producir fórmulas para la temperatura y la producción de vapor de la superficie. Se discutirán los parámetros que aparecen en esas fórmulas, a saber, las resistencias al vapor ya la transferencia de calor. Se describirá un método para la determinación experimental de la resistencia a la transferencia de calor de las hojas sumergidas en el dosel de un invernadero.
Las ecuaciones deducidas en el capítulo dos se aplicarán en el capítulo tres a la cubierta de un invernadero. En primer lugar, se considerará la impracticabilidad de medir la radiación neta absorbida por dicho dosel. Para evitar esta dificultad, se desarrollará un método, basado en las ecuaciones teóricas de transferencia de radiación en un medio turbio; se demostrará que tal método produce resultados bastante precisos mientras requiere mediciones relativamente simples como entrada. Posteriormente, se analizará la restricción impuesta al modelo de transpiración por el hecho de que se requiere que sea preciso en una escala de tiempo de unos pocos minutos. La producción de vapor resultante y las variaciones de temperatura de la superficie se relacionan directamente con los diferenciales en la temperatura de la superficie; la capacidad calorífica del follaje que aparece como parámetro. Se describirá un método basado en resultados experimentales, para la estimación de la capacidad calorífica del follaje. Finalmente, la extensión del concepto.
Se discutirá la resistencia a un dosel. Se describirá una determinación experimental de la resistencia de la canopia a la transferencia de vapor y se revisarán las implicaciones de los resultados.
En el capítulo cuatro se considerará si el modelo así desarrollado puede ser simplificado (sin pérdida considerable de precisión). Para ello, se aplicará un análisis de sensibilidad respecto a los distintos parámetros previamente introducidos. Por otro lado, el mismo análisis revelará dónde se encuentra el mayor alcance, para un control eficiente de la producción de vapor, así como de la temperatura del dosel. Seguirá una revisión de los procedimientos ampliamente aplicados para regular la temperatura y la humedad del aire en los invernaderos. Se observará que muy a menudo esos procedimientos tienen simplemente el propósito tácito de intentar controlar el proceso de transpiración. El resto del capítulo, por lo tanto, se dedicará a reconsiderar algunos procedimientos típicos de control climático desde este punto de vista. Se demostrará que la aplicación de un 'punto de referencia de transpiración' podría, de hecho, mejorar la eficiencia de la forma en que se controla el microclima; incluso podría evitar el derrame de energía mediante intentos innecesarios de reducir la humedad en el invernadero.
