Mejora en la producción y calidad de lechuga mediante la optimización de las condiciones de cultivo en sistemas hidropónicos bajo invernadero

Abstract

En el futuro habrá un aumento de la demanda de alimentos debido al incremento poblacional, mientras que la agricultura seguirá enfrentándose a problemas como la disminución de la tierra cultivable, la contaminación o la escasez de agua. Por tanto, la agricultura se enfrenta al reto de poner en marcha sistemas de cultivo más productivos y ecológicamente sostenibles, que complementen a los tradicionales. Uno opción es el cultivo hidropónico de ciclo cerrado. Aunque la investigación científica y su puesta a punto de forma comercial ha avanzado mucho en los últimos años, se puede considerar que está todavía en su fase juvenil y exige seguir estudiando diversos aspectos tanto del diseño como del manejo. Los objetivos de la tesis fueron: 1) Determinar la forma óptima de gestionar la concentración de la solución nutritiva, 2) definir la mejor forma de manejar los tiempos de riego en los sistemas hidropónicos flujo-reflujo y flotante, y 3) determinar qué densidad de plantación es la óptima para un cultivo vertical. Para la consecución del objetivo 1 se ensayaron tres concentraciones diferentes de solución nutritiva en un cultivo hidropónico en mesas con sistema de riego flotante. Como resultados más destacables se encontró que de las tres soluciones nutritivas la mejor a nivel productivo fue la más concentrada, obteniéndose plantas de mayor peso, y, por tanto, mayor rendimiento por unidad de superficie. En cuanto al contenido de nitratos, se observó una relación directa entre la concentración de solución nutritiva y su acumulación en hoja, siendo las lechugas regadas con solución nutritiva más concentrada las que presentaron mayores valores, por encima de lo que marca la normativa europea. En cuanto a la calidad de las lechugas, el tratamiento con solución más concentrada también destacó sobre el resto ya que tuvo una mayor concentración de antocianos, clorofilas y Ca. Para la consecución del objetivo 2 se puso en marcha un cultivo hidropónico en mesas en el que se compararon dos sistemas de riego: el flotante y el flujo-reflujo. Además, dentro de cada sistema se manejaron tres tiempos de riego. Cabe destacar que, al comparar los dos sistemas, el flujo-reflujo resultó el mejor, dando una producción significativamente mayor que el sistema flotante. Además, de los tres manejos del sistema flujo-reflujo resultaron más productivos aquellos que más tiempo tuvieron las raíces al aire en cada intervalo de riego. Mientras, en sistema flotante el mejor manejo fue el de mayor porcentaje de recirculación de solución nutritiva en la mesa, consiguiendo plantas de mayor peso y, por tanto, mayor rendimiento por unidad de superficie. Otro hecho a destacar fue que ninguno de los sistemas de riego ni sus manejos produjeron lechugas que sobrepasaran el límite de nitratos en hoja establecido en la normativa europea. Para la consecución del objetivo 3 se puso en marcha un cultivo hidropónico vertical en el que se compararon tres densidades de plantación (17, 23 y 32 plantas/m²), contando cada una de ellas con siete alturas de cultivo. De los resultados obtenidos cabría destacar que las estructuras de cultivo vertical utilizadas en este experimento crearon un gradiente de radiación de manera que ésta aumentó tanto al disminuir la densidad de plantación como al aumentar la altura de las baldas de cultivo. Este gradiente afectó al rendimiento agronómico del cultivo al influir en el peso de las plantas. Por tanto, el mejor rendimiento productivo se encontró en la menor densidad de plantación, produciendo plantas de mayor peso fresco y también mayor producción por unidad de superficie. Las plantas situadas en estructuras más densas tuvieron un rendimiento agronómico menor.

In the future, demand for food will increase due to population growth, while agriculture will continue to face problems such as shrinking arable land, pollution and water scarcity. Agriculture, therefore, faces the challenge of implementing more productive and ecologically sustainable farming systems to complement traditional ones. One option is using closed-cycle hydroponics. Although scientific research and commercial development has made substantial progress in recent years, it can be considered to be still in its early stage and requires further study of various aspects of both design and management, over all in vertical hydroponic system. The objectives of the thesis were: 1) to determine the optimal way to manage the concentration of nutrient solution in a root floating system, 2) to define the best way to manage irrigation times in flow-flow and floating hydroponic systems, and 3) to determine the optimal planting density for vertical cultivation. In order to achieve objective 1, three different concentrations of nutrient solution were tested in a hydroponic culture on tables with a floating irrigation system. The most notable results were that among the three nutrient solutions, the most concentrated was the best in terms of production, obtaining greater plants and, therefore, higher yields per unit of surface area. As for the nitrate content, a direct relationship was observed between the concentration of the nutrient solution and its accumulation in the leaves, with the lettuces irrigated with the most concentrated nutrient solution having the highest values, above the European standards. In terms of lettuce quality, the treatment with the most concentrated solution also stood out from the rest, as it had a higher concentration of anthocyanins, chlorophylls and Ca. For the achievement of objective 2, two different hydroponic table culture irrigation systems were compared: floating and flow-reflux managed in three different ways each one. It is worth noting that, when comparing the two systems, the flow-flow was the best, giving a significantly higher yield than the floating system. In addition, of the three flow-reflux systems, the most productive were those that had the roots in the air for the longest time at each irrigation interval. Meanwhile, in the floating system, the best management was the one with the highest percentage of recirculation of nutrient solution on the table, achieving greater plants and, therefore, higher yields per unit area. Another noteworthy fact was that none of the irrigation or management systems produced lettuces that exceeded the limit of nitrates in leaves established in the European regulations. In order to achieve objective 3, a vertical hydroponic cultivation system was implemented in which three planting densities were compared (17, 23 and 32 plants/m²), each one with seven crop heights. From the results obtained, it should be noted that the vertical cultivation structures used in this experiment created a radiation gradient in such a way that radiation increased both as the planting density decreased and as the height of the cultivation shelves increased. This gradient affected the agronomic performance of the crop by influencing the weight of the plants. Therefore, the best productive performance was found at the lowest planting density, producing plants of higher fresh weight and also higher production per unit area. Plants located in denser structures had a lower agronomic yield.