El uso de este sistema puede mejorar sustancialmente el microclima del invernadero y, en consecuencia, el crecimiento y rendimiento del cultivo

En los invernaderos mediterráneos, generalmente, con muy baja dotación para el control activo del clima, los cultivos se ven expuestos a menudo a situaciones de estrés, como excesos térmicos (> 35°C) y déficits de presión de vapor (DPV) elevados (> 3 kPa) durante los periodos cálidos, que provocan pérdidas en producción y calidad de los frutos (Katsoulas et al., 2006). Así mismo, las temperaturas nocturnas en invierno suelen alcanzar valores inferiores a 12 °C, umbral por debajo del cual las especies cultivadas ralentizan su crecimiento y presentan síntomas de deterioro (Lorenzo, 2012).

Con el objetivo de mejorar las condiciones climáticas del invernadero mediterráneo mediante la aplicación de una nueva tecnología sostenible, tanto en el periodo cálido como frío, se desarrolló un sistema pasivo híbrido de refrigeración y calefacción para invernaderos mediterráneos. El sistema integra pantallas evaporativas y mangas de polietileno llenas de agua. Este estudio evalúa el efecto del uso del sistema híbrido sobre el clima del invernadero durante un cultivo de pimiento tipo california, así como la respuesta en términos de bioproductividad y eficiencia en el uso de la radiación (RUE) y del agua (WUE) del cultivo.

La experimentación se realizó en dos invernaderos de cubierta de plástico idénticos de 720 m², contiguos, tipo multitúnel, situados en el Centro La Mojonera del Instituto de Investigación y Formación Agraria y Pesquera de Andalucía (IFAPA), en la costa de Almería. Los invernaderos contaban con control automatizado de la ventilación natural (ventanas cenitales y laterales) y del fertirriego. En uno de los invernaderos (P) se instaló un sistema pasivo híbrido que integraba un dispositivo de refrigeración pasiva (pantallas evaporativas) con uno de calefacción pasiva (mangas de agua) (Fig. 1 y Fotografía 1) y se comparó con el otro invernadero (referencia, R).

Las pantallas evaporativas consistían en láminas dobles de textil hidrófilo, de alta capacidad de retención hídrica, colocadas verticalmente cubriendo una altura de 0,9 m desde el suelo. En la parte superior de las láminas se insertaron cintas de riego conectadas a un dispositivo de riego simple para controlar el tiempo y la frecuencia de riego, que permitió mantener las pantallas evaporativas uniformemente y bien humedecidas durante el periodo diurno. A ambos lados de cada pantalla evaporativa se situaron dos mangas flexibles de polietileno llenas de agua (acumuladores de calor) de 0,25 m de diámetro que suponían un volumen de 30 L m^-2. Este sistema híbrido se dispuso entre líneas de cultivo alternas para facilitar las actividades de los trabajadores.

El suministro de agua a las pantallas evaporativas se realizó durante los primeros 42 días desde el trasplante (DDT). La evaporación potencial de agua en la pantalla, acumulada durante este periodo, se estimó en 51 L m^-2 (Lorenzo et al., 2024). Las mangas de agua acumulaban calor durante el día que se transfería por convección y radiación al aire y a los elementos del invernadero, sobre todo, por la noche debido a la inercia térmica del agua.

En combinación con el sistema pasivo híbrido de refrigeración y calefacción en el invernadero P se usó una pantalla interior móvil (Harmony 3647FR, Svensson) con distinta función según la fase del ciclo de cultivo: a) pantalla de sombreado en las fases iniciales del cultivo de pimiento, que se extendía durante las horas de mayor estrés térmico; y b) pantalla térmica activada en torno al periodo nocturno durante el periodo frío del ciclo de cultivo. En el invernadero de referencia se aplicó un sombreado fijo mediante una malla de sombreo (Harmony 3915, Svensson) instalada sobre la cubierta del invernadero y simulando el blanqueado habitual en la zona.

Se cultivó pimiento (Capsicum annuum L., cv. Numanthia) durante 210 días (7/08/2019 - 4/03/2020), que se trasplantó en sacos de perlita dispuestos en líneas N-S separadas 1,65 m (2,53 plantas m^-2). Se realizó poda tipo holandesa, dejando dos tallos por planta. A lo largo del experimento se caracterizó el microclima generado en el interior de ambos invernaderos a partir de medidas de temperatura y DPV del aire, temperatura del sustrato y radiación solar incidente sobre el cultivo.

Durante el cultivo también se midió la producción de biomasa seca aérea, la expansión foliar del cultivo, la producción y calidad de los frutos, y se calculó la eficiencia en el uso de la radiación (RUE), como la relación entre la producción de materia seca y la integral de la radiación solar incidente sobre el cultivo. En cada invernadero se cuantificó el volumen de solución nutritiva aportada y la eficiencia en el uso del agua (WUE), determinada como la relación entre la producción de fruto comercial y el aporte total de agua de riego durante el ciclo de cultivo.

Durante el periodo cálido, cuando la demanda evaporativa del invernadero era alta, las pantallas evaporativas de P redujeron el DPV del aire (Fig. 2) en comparación con el invernadero de referencia (valores máximos diarios de 2,4 - 4,3 kPa en el invernadero R, y de 1,8 - 3,9 kPa en el invernadero P), mientras que apenas afectó a la temperatura del aire. Durante el periodo frío el sistema combinado de calefacción pasiva (mangas llenas de agua + pantalla térmica) aumentó la temperatura nocturna del aire en P y, en consecuencia, la temperatura media diaria del aire (Fig. 2), en comparación con el invernadero R. La temperatura mínima diaria del aire osciló entre 7,8 y 15,7°C en R y entre 10,3 y 17,7°C en P, y la temperatura media del aire nocturno fue entre 1,6 y 2,8°C superior en el invernadero con el sistema combinado de calefacción pasiva. El sistema también aumentó la temperatura del sustrato de perlita (Fig. 3), adoptando durante el periodo de crecimiento frío un valor medio 1,3°C superior en el invernadero P que en R.

El mejor clima obtenido en el invernadero con el sistema híbrido pasivo (P) dio lugar a un mayor desarrollo foliar inicial en relación con el cultivo de referencia y un aumento en la producción de materia seca durante la mayor parte del ciclo de cultivo (Tabla 1). La tasa media diaria de producción de materia seca en el periodo de crecimiento cálido, cuando se activaron las pantallas evaporativas (0-42 DAT), fue un 18% superior en el cultivo con el sistema pasivo híbrido (2,3 y 2,7 g m^-2 d^-1 en los cultivos de los invernaderos R y P respectivamente), y un 16% superior en el periodo de cultivo frío, cuando se activó el sistema de calefacción pasivo combinado (76-210 DAT), (8,2 y 9,5 g m^-2 d^-1, respectivamente).

Considerando el ciclo completo del cultivo, la eficiencia en el uso de la radiación (RUE) fue un 16% superior en el cultivo del invernadero con el sistema pasivo híbrido (1,12 g MJ^-1) que en el de referencia (0,97 g MJ^-1). Este efecto estuvo asociado principalmente a la mayor producción de materia seca, ya que la integral de radiación solar incidente fue similar en ambos cultivos (1421,5 y 1441,2 MJ m^-2 en los cultivos de los invernaderos P y R, respectivamente).

La producción precoz de fruto comercial (111 DDT) fue notablemente mayor (38%) en el cultivo del invernadero con el sistema híbrido (P) debido a un mayor número de frutos (+52%) de menor peso medio (Tabla 2). La producción comercial total acumulada al final del ciclo de cultivo también fue significativamente mayor (+25%) en P que en R, asociada al mayor número de frutos (+34%) de menor peso medio (Tabla 2). La producción no comercial fue similar en los dos invernaderos (0,61 y 0,57 Kg m^-2 en R y P respectivamente) y la mayor parte con frutos afectados por Blossom End Rot (B.E.R.).

En resumen, el uso del sistema híbrido pasivo de refrigeración y calefacción, en combinación con una pantalla interior móvil de sombreo/térmica, permitió mejorar el clima del invernadero en el periodo cálido (verano) y frío (invierno). En las fases iniciales del cultivo de pimiento trasplantado en verano (Fotografía 2), las pantallas evaporativas redujeron el estrés higrométrico del aire sin alterar la radiación incidente sobre el cultivo, como ocurre cuando se emplea el blanqueado como método de sombreo. La reducción del DPV del aire incrementó el IAF del cultivo, pudo haber mejorado la fotosíntesis del cultivo (Du et al., 2018) y aumentó la producción de materia seca y la producción precoz del cultivo. Durante el periodo frío del ciclo, las mangas de agua en combinación con la pantalla térmica incrementaron la temperatura del aire (+2,2 °C) y del sustrato (+1,3 °C), respecto al invernadero de referencia. La pantalla térmica, al reducir el volumen de aire alrededor del cultivo y las pérdidas de calor por radiación y convección durante la noche (Kittas et al, 2013), parece tener un efecto térmico sinérgico con las mangas llenas de agua.

Ambos sistemas combinados redujeron sustancialmente la ocurrencia de niveles térmicos del aire inferiores a 15°C, valores que afectan negativamente a la floración y al desarrollo de los frutos (Mercado et al., 1997; Aloni et al., 1996) y aumentaron la temperatura del sustrato por encima o en torno al valor mínimo recomendado en el sustrato (Nisen et al., 1988). La mejora del microclima en el invernadero con el uso del sistema pasivo híbrido de refrigeración (pantallas evaporativas) y calefacción (mangas rellenas de agua) aumentó significativamente la producción total de materia seca aérea (16%) y la producción total comercial de frutos (25%) de pimiento.

El suministro total de agua en el riego para mantener valores adecuados y similares de la conductividad eléctrica de la solución nutritiva (3,5 dS m^-1) fue un 8% (-36 L m^-2) menor en el invernadero con el sistema híbrido (410 frente a 446 L m^-2), probablemente porque su mayor crecimiento y producción de frutos aumentó la absorción mineral de las raíces y redujo la acumulación de sales y nutrientes en la solución de drenaje (Sánchez-Guerrero et al., 2009). La eficiencia en el uso del agua (WUE) fue un 35% superior en el cultivo con el sistema pasivo híbrido respecto al de referencia (21,0 frente a 15,5 g L^-1), debido principalmente a la mayor producción comercial. Estos valores medidos estuvieron dentro del rango de los reportados por Fernández et al. (2007) para cultivos comerciales de pimiento.

Considerando el agua estimada utilizada en la evaporación de las pantallas (51 L m^-2), la WUE fue de 18,7 g L^-1, que sigue siendo un 20% más alta que la del cultivo de referencia. Gázquez et al. (2006) utilizaron 138 L m^-2 de agua en un sistema de nebulización para mantener el DVP del aire inferior a 1,5 kPa, lo que representó el 22,3% del total de agua de riego suministrada, mientras que el consumo potencial de agua de las pantallas evaporativas del sistema pasivo sólo representó el 10,8% del total de agua de riego suministrada.

Los resultados obtenidos en este trabajo demuestran el interés y la sostenibilidad del sistema híbrido pasivo de refrigeración (pantallas evaporativas) y calefacción (mangas llenas de agua) para invernaderos mediterráneos. En los ciclos largos de cultivo de pimiento, y probablemente de tomate, con condiciones climáticas estresantes para el crecimiento durante los periodos cálidos y fríos, el uso de este sistema pasivo híbrido de refrigeración y calefacción, en combinación con una pantalla de sombreo/térmica, puede mejorar sustancialmente el microclima del invernadero y, en consecuencia, el crecimiento y rendimiento del cultivo, además de mejorar la eficiencia del uso de los recursos, tanto de la energía solar como del agua.

Agradecimientos

Este trabajo ha sido financiado por el Instituto Nacional de Investigación Agraria y Alimentaria, INIA (RTA-2017-00028-C02-02) y el Ministerio de Ciencia e Innovación de España (PID2021-125281OR-C22) a través de fondos FEDER de la Unión Europea, e IFAPA. Los autores agradecen la colaboración de SOLPLAST S.A., SVENSSON, Zeraim Ibérica S.A y José Luis Lupiañez Romera.

Referencias

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Du, Q.; Xing, G.; Jiao, X.; Song, X.; Li, J. 2018. Stomatal responses to long-term high vapor pressure deficits mediated most limitation of photosynthesis in tomatoes. Acta Physiologiae Plantarum 40: 149.

Fernández, M.D.; González, A.M.; Carreño, J.; Pérez, C.; Bonachela, S. 2007. Analysis of on-farm irrigation performance in Mediterranean greenhouses. Agricultural Water Management 89: 251-260.

Gázquez, J.C.; López, J.C.; Baeza, E.; Sáez, M.; Sánchez-Guerrero, M.C.; Medrano, E.; Lorenzo, P. 2006. Yield response of Sweet Pepper Crop to Different Methods of Greenhouse Cooling. Acta Horticulturae 719: 507-513.

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Kittas, C.; Katsoulas, N.; Bartzanas, T.; Bakker, S. 2013. Greenhouse climate control and energy use. In: Good Agricultural Practices for greenhouse vegetable crops. Eds.: W. Baudoin; R. Nono-Womdim N. Lutaladio; A. Hodder; N. Castilla; Ch. Leonardi; S. De Pascale; MQaryouti. FAO, 63-95.

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