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Sensor inteligente para medir el estado de nitrógeno en cultivos de floricultura
11 de junio de 2020
El contenido de nitrógeno (N) en las plantas afecta el crecimiento y la calidad de los cultivos florícolas. La deficiencia de N causa amarillamiento de las hojas y retraso en el crecimiento. En muchas especies de cultivos florícolas, el amarillamiento de las hojas se observa generalmente en las hojas más viejas. Sin embargo, este puede no ser el caso en todas las especies (véase la Fig. 1). Los niveles excesivos de N dan como resultado un crecimiento indeseable de los brotes y una mayor susceptibilidad a las plagas de insectos.
Figura 1. Plantas de flor de pascua suministradas con niveles deficientes (izquierda) y suficientes (derecha) de nitrógeno
Los productores de invernadero utilizan varias técnicas de monitoreo, como evaluaciones visuales, análisis de laboratorio y sensores (por ejemplo, la conductividad eléctrica del sustrato), para garantizar que a los cultivos de floricultura se les suministre una cantidad suficiente de N durante la producción. Los productores a pequeña escala suelen recurrir a las evaluaciones visuales, principalmente debido a los recursos limitados de que disponen para gastar en sensores costosos o análisis de laboratorio. Las evaluaciones visuales pueden no ser precisas. Además, la evaluación visual de la deficiencia o el exceso de N solo es posible después de que aparecen los síntomas en las plantas. Para entonces, puede ser demasiado tarde para hacer correcciones. El monitoreo regular puede ser un desafío en operaciones a gran escala. Es casi imposible monitorear visualmente todas las plantas, recolectar muestras de un gran número de plantas para análisis de laboratorio o probar sustratos usando sensores cuando hay varias acres o miles de plantas en juego. El monitoreo en operaciones a gran escala puede ser laborioso, lento y costoso. Sin un monitoreo regular y preciso de los niveles de N en las plantas, el crecimiento y la calidad pueden estar en riesgo y afectar negativamente las ganancias.
Las nuevas tecnologías que se están desarrollando y utilizando en la agricultura convencional al aire libre pueden ofrecer una solución para monitorear el estado de nitrógeno de las plantas en los cultivos de floricultura. Es extremadamente difícil monitorear los niveles de nitrógeno de los cultivos en operaciones agrícolas al aire libre debido a la gran superficie. Por lo tanto, la obtención de imágenes de cultivos mediante satélites y drones se está popularizando en la agricultura al aire libre para medir los niveles de nitrógeno de los cultivos. Desafortunadamente, estas tecnologías rara vez se utilizan en la industria de la floricultura. Algunas de las razones de la falta de interés en desarrollar y utilizar tecnologías basadas en imágenes en la industria de la floricultura son los altos costos, las plataformas complicadas y la idoneidad para los invernaderos.
En la Universidad de Purdue, desarrollamos un ‘Sensor N Inteligente’ para cultivos florícolas, que utiliza tecnología basada en imágenes para monitorear el estado de nitrógeno (N) de las plantas (ver Fig. 2). El sensor es confiable, fácil de usar (en teléfonos inteligentes y computadoras) y de bajo costo (unos pocos cientos de dólares). Usando el sensor, los productores de floricultura pueden cuantificar de manera no destructiva el estado de N de las plantas para optimizar la aplicación de fertilizantes en invernaderos. En operaciones a pequeña escala, los productores pueden conectar el sensor a un teléfono inteligente y usarlo como un dispositivo de mano. Dado su bajo costo, se pueden acoplar varios sensores N inteligentes a una barra de riego para monitorear plantas en grandes áreas. La barra de riego se puede programar para detenerse a ciertos intervalos a lo largo de su recorrido y los sensores pueden capturar imágenes de las plantas debajo de ellos. Los sensores se pueden conectar de forma remota a una computadora para el análisis, visualización y almacenamiento de datos. Esto puede aumentar significativamente las capacidades de monitoreo en invernaderos a gran escala.
Figura 2. Sensor inteligente de nitrógeno de bajo costo desarrollado en la Universidad de Purdue
Utilizamos un algoritmo específico para cada especie con el fin de estimar con precisión el contenido de nitrógeno de las plantas mediante el sensor inteligente de nitrógeno. En la actualidad, el sensor inteligente de nitrógeno puede utilizarse para estimar el contenido de nitrógeno en plantas como la flor de pascua, la caléndula, la vinca, la salvia, la zinnia y la impatiens. En la figura 3 se muestra una ilustración de los diferentes pasos que intervienen en la estimación del contenido de nitrógeno de la flor de pascua. El sensor inteligente de nitrógeno puede estimar el estado del nitrógeno de la planta rápidamente, en tan solo unos segundos. Según los resultados de nuestra investigación, el valor estimado del contenido de nitrógeno de la planta presentaba una alta correlación con el contenido de nitrógeno de la planta medido en laboratorio. De media, la precisión de las mediciones del sensor se situó cerca del 75%. El sensor inteligente de nitrógeno permite a los productores de flores realizar mediciones según sea necesario y gestionar el contenido de nitrógeno de las plantas a un nivel óptimo.
Figura 3. Estimación del estado de nitrógeno de las plantas utilizando un sensor inteligente
Tecnología de teléfonos inteligentes para la producción de flores en el futuro
Figura 4. Iluminación de la comunicación remota entre los productores y la plataforma del servidor web para visualizar los datos de los sensores inteligentes
En el futuro, planeamos construir sensores de N en Purdue y ponerlos a disposición de los agricultores interesados a un precio accesible. Los agricultores podrán utilizar nuestra plataforma gratuita para analizar imágenes y recibir datos sobre el contenido de N en las plantas en sus teléfonos inteligentes y computadoras utilizando internet.
- Mantener un alto porcentaje de germinación y un área de dosel baja son características de calidad importantes en las plántulas. Puede llevar una cantidad significativa de tiempo medir estas características manualmente u otros métodos en los invernaderos. En el futuro, planeamos construir sensores inteligentes que capturen una imagen de una bandeja de plántulas, utilicen software integrado para separar las plántulas del fondo, cuenten las plántulas germinadas y su área de píxeles, y estimen el porcentaje de germinación y el área del dosel en pocos segundos.
- Garantizar que las plantas crezcan a un ritmo óptimo es fundamental para terminar los cultivos de floricultura en la fecha prevista y con un tamaño aceptable. El crecimiento lento de los cultivos retrasa el tiempo de finalización y aumenta los costos operativos de producción. Las plantas de gran tamaño ocupan más espacio y plantean problemas durante el transporte. En el futuro, planeamos desarrollar sensores inteligentes que puedan medir de forma no destructiva y automática el crecimiento de las plantas a diario y comparar las mediciones con una tasa predeterminada. El seguimiento del crecimiento permitirá a los productores realizar correcciones oportunas, producir plantas uniformes, terminar las plantas en la fecha prevista y garantizar que las plantas sean de la más alta calidad.
- El seguimiento del desarrollo de las plantas puede ser extremadamente importante en cultivos como los lirios de Pascua. Un retraso en el desarrollo de la flor puede resultar en la pérdida total del cultivo. Estamos desarrollando sensores inteligentes capaces de medir la tasa de despliegue de las hojas, la cual está indirectamente relacionada con el desarrollo de la flor en los lirios de Pascua. Al realizar un seguimiento de la tasa de despliegue de las hojas, los cultivadores pueden realizar cambios en el entorno de cultivo (por ejemplo, la temperatura del invernadero) para aumentar o disminuir la velocidad del desarrollo de la planta. Esto garantizará que el cultivo esté listo para el mercado justo a tiempo. La tecnología también ahorrará dinero al evitar las mediciones manuales del recuento de hojas.
Figura 5. Medición de la temperatura foliar en bandejas de plántulas. Las regiones de amarillas a naranjas son más cálidas, mientras que las regiones púrpuras son más frías que la temperatura del aire. Esta imagen indica que muchas bandejas de plántulas necesitan riego
Otra aplicación de los sensores inteligentes es la programación del riego basada en las necesidades de los cultivos. Los sensores inteligentes pueden capturar imágenes de grandes áreas y estimar la temperatura del dosel vegetal. Cuando la temperatura de las hojas es más baja que la temperatura del aire, normalmente hay una cantidad suficiente de agua en el sustrato. El sensor inteligente puede capturar imágenes y alertar a los productores sobre cuándo regar basándose en la temperatura de las hojas en la imagen.
Acuse de recibo Agradecemos a American Floral Endowment, Horticulture Research Institute y Fred Gloeckner Foundation por financiar la investigación.
Por Krishna Nemali, Ranjeeta Adhikari, Cheng Li y Kirby Kalbaugh
