Introducción

México es el principal exportador de tomate a nivel mundial, y en 2016 contribuyó con el 25.11 % del valor de las exportaciones mundiales, cubriendo el 90.67 % de las importaciones de Estados Unidos de América y 65.31 % de Canadá (^{Secretaría de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentación [SAGARPA], 2017}). De acuerdo con Fideicomisos Instituidos en Relación con la Agricultura (^{FIRA, 2017}), el tomate rojo es la principal hortaliza producida bajo agricultura protegida (malla sombra e invernadero) en México (70 %). La superficie establecida con este sistema pasó de 1,973 a 15,198 ha entre 2007 y 2017, con una tasa promedio anual de crecimiento de 22.7 % (^{FIRA, 2019}).

Los rendimientos de tomate varían significativamente entre productores, variedades, estado de la república y tipo de tecnología utilizada. Por ejemplo, ^{Ortega-Martínez et al. (2010)} encontraron rendimientos que oscilan entre 7.3 y 25 kg·m^-2 en tomate cultivado bajo invernadero con diferentes sustratos, siendo el mejor el aserrín. ^{Núñez-Ramírez et al. (2017)}, en un experimento con tomate en acolchado y riego por goteo bajo condiciones de invernadero en Sonora, México, reportan rendimientos de tomate de entre 17 y 20.6 kg·m^-2 con diferentes dosis de N (250 a 1,000 kg·ha^-1). En un esquema de producción continua de tres a cuatro ciclos por año, ^{Sánchez-del Castillo, Bastida-Cañada., Moreno-Pérez, Contreras-Magaña, y Sahagún-Castellanos (2014)} reportan rendimientos de hasta 600 t·ha^-1·año^-1 para tomate. De 2015 a 2017, los rendimientos de tomate tipo Saladette se incrementaron de 173.3 a 176.7 t·ha^-1·año^-1 en producción bajo invernadero, y de 34.3 a 36.1 t·ha^-1·año^-1 a campo abierto (^{FIRA, 2016}, ²⁰¹⁹).

El desempeño de los sistemas de producción en agricultura protegida se puede medir a través de algunos indicadores. De acuerdo con ^{Carro-Paz y González-Gómez (2016)}, la productividad es un índice que relaciona salidas o productos con las entradas o insumos necesarios para generar tal producción. La productividad parcial relaciona la producción total o salida con uno de los recursos utilizados.

Existen dos índices para denotar el uso del agua por los cultivos definidos por ^{Nederhoff y Stanghellini (2010)}. El primero es el uso del agua por el producto (PWU, por sus siglas en inglés), que es el volumen de agua utilizado por la planta durante todo el ciclo productivo para generar un kilogramo de producto fresco (L·kg^-1). El segundo es el inverso del anterior, se denomina eficiencia en el uso del agua (WUE, por sus siglas en inglés), aunque algunos autores le llaman la productividad del agua, y es la producción en kilogramos dividida por la cantidad de agua utilizada por el cultivo (kg·m^-3). El agua se usa de manera eficiente cuando PWU es bajo y WUE es alto. Algunos valores de PWU para tomate se reportan en el Cuadro 1, y van desde 4 hasta 300 L·kg^-1, lo que corresponde a valores de WUE entre 250 y 3.33 kg·m^-3. Para propósitos de este estudio, se utilizará el índice de WUE.

^{Rashidi y Gholami (2008)}, en experimentos hechos con tomate durante 20 años en Irán, reportan un rango de 2.58 a 11.88 kg·m^-3 en la WUE. Mientras que ^{Nederhoff y Stanghellini (2010)} señalan una WUE de 5.43 kg·m^-3 (184 L·kg^-1) en el mismo cultivo, para un promedio de 65 países de 1997 a 2001, aunque los autores no mencionan si ese promedio es para países desarrollados o sub-desarrollados. En un estudio realizado en Cuba, ^{González-Robaina, Herrera-Puebla, López-Seijas, y Cid-Lazo (2014)} reportan una WUE entre 12.9 y 45.4 kg·m^-3 en tomate. Asimismo, ^{Liu, Hu, Feng, Wang, y Yang (2019)} en su investigación sobre el crecimiento de tomate a campo abierto, bajo diferentes niveles de potasio en una provincia de China, obtuvieron productividades en un rango de 20.28 a 24.33 kg·m^-3.

Las cifras de la WUE en cultivo de tomate dependen de varios factores, entre ellos el nivel tecnológico, como se muestra en el Cuadro 1, en donde se desglosa la cantidad de agua de riego necesaria para producir 1 kg de tomate fresco a partir de diferentes sistemas de cultivo. Con la tecnología más avanzada se requieren únicamente 4 L de agua para producir 1 kg de tomate. En la Figura 1 se muestra un resumen del uso del agua y la productividad de siete niveles tecnológicos de producción de tomate, obtenidos de un modelo de simulación basado en ecuaciones físicas que describen los flujos de calor y masa asociados con la producción de tomate bajo invernadero establecidas por ^{Elings, Campen, Nieves-García, y van der Valk (2013)} para las condiciones de Aguascalientes, México. A medida que aumenta el nivel tecnológico, disminuye el uso de agua e incrementa la productividad en el uso de agua, lo cual es más notorio al pasar del nivel tecnológico medio 5 (M5) (51.9 kg·m^-3) al nivel tecnológico alto (A) (168.2 kg·m^-3); la única diferencia entre ambos fue que en el nivel A se adicionaron pantallas térmicas y enfriamiento mecánico.

Figura 1 Uso y productividad del agua en cultivo de tomate con diferentes tecnologías. Nivel tecnológico: B = bajo (P, V, G), M1 = medio 1 (P, H, V, S), M2 = medio 2 (P, H, V, S, PT), M3 = medio 3 (P, TP, V, S, CO₂), M4 = medio 4 (P, TP, E, S), M5 = medio 5 (C, TP, V, R, CO₂), A = alto (D, TP, M, PT, CO₂). Donde, cubierta: P = plástico, C = cristal, D = cristal difuso; calefacción: H = calentadores de aire, TP = tuberías de calefacción; enfriamiento: V = ventilación, E = enfriamiento evaporativo, M = enfriamiento mecánico; sustrato: G = suelo, S = sustrato, R = sustrato con reuso de agua; PT = pantallas térmicas; CO₂ = enriquecimiento de CO₂. Fuente: Elaboración propia con datos de ^{Elings et al. (2013)}. 

Otro recurso fundamental en la producción bajo invernaderos, además del agua, es la energía, la cual depende de las necesidades climáticas dentro de los invernaderos para cada cultivo, las variedades, la época del año y el estado fisiológico de las plantas.

Existen dos enfoques para medir el desempeño en el uso de la energía; el primero considera la energía utilizada en la fabricación de insumos (como semillas, herbicidas, fertilizantes, etc.), y los indicadores utilizados son: 1) la razón en el uso de la energía (RUE), que es la cantidad de energía recuperada en MJ a través del producto obtenido por cada MJ utilizado en insumos (MJ·MJ^-1), 2) la productividad energética (PE), expresada en kg de producto por MJ utilizado (kg·MJ^-1), y 3) la energía específica (EE), que es el inverso del anterior medido en MJ·kg^-1. El segundo enfoque considera el indicador eficiencia en el uso de la energía (EUE), que es la razón entre el gasto de energía en electricidad y combustible en MJ utilizados en el proceso de producción (MJ·kg^-1).

El primer enfoque es aplicado por ^{Dimitrijević, Blažin, Blažin, y Ponjičan (2015)}, quienes reportan una PE de 0.65 kg·MJ^-1 y una RUE de 0.52 MJ·MJ^-1, para un invernadero tipo túnel con cultivo de tomate en Servia. ^{Pahlavan, Omid, y Akram (2011)} presentan una RUE de 0.001 MJ·MJ^-1 en la producción de tomate, en donde los insumos utilizados fueron mano de obra, fertilizantes, herbicidas, electricidad y maquinaria. Asimismo, ^{Sepat, Sepat, Sepat, y Kumar (2013)} reportan rendimientos de 29 kg·m^-2 en la producción de tomate bajo invernadero, con una RUE de 1.36 MJ·MJ^-1 y EE de 2.42 MJ·kg^-1. ^{Shamsabadi, Abedi, Ahmad, y Taheri-Rad (2017)}, en un estudio realizado en cuatro provincias de Irán, una en condiciones de campo abierto y tres bajo condiciones de invernadero, encontraron que la RUE osciló entre 0.59 y 1.48 MJ·MJ^-1, mientras que la PE estuvo entre 0.74 y 1.38 kg·MJ^-1.

En el segundo enfoque, la EUE es definida por ^{Dannehl, Schuch, y Schmidt (2013)} como la cantidad de energía requerida para producir 1 kg de frutos comerciales expresada en MJ·kg^-1. La EUE, aunque tiene las mismas unidades que la energía específica del primer enfoque, no considera la energía consumida en la elaboración de insumos como fertilizantes, semillas, herbicidas, etc. Los mismos autores calcularon una EUE promedio de 40 MJ·kg^-1, considerando el consumo de electricidad y combustible en los sistemas de calefacción y enfriamiento para un año de producción de tomate en un invernadero de cristal de alta tecnología ubicado en Berlín, Alemania. Además, dichos autores obtuvieron una EUE de -1.41 MJ·kg^-1 en un invernadero de tipo colector solar con bomba de calor, y reportan una EUE de 1.97 MJ·kg^-1 en invernaderos sin calefacción en España.

^{Elings et al. (2013)}, en una simulación establecida para las condiciones de Aguascalientes, México, encontraron que la EUE es de 1.98 MJ·kg^-1 para invernaderos de tecnología baja, entre 14.92 y 11.49 MJ·kg^-1 para invernaderos de tecnología media y de 25.64 MJ·kg^-1 para invernaderos de tecnología alta. La EUE disminuye a medida que aumenta el nivel tecnológico debido al uso elevado de la energía en términos absolutos (Figura 2). Al pasar del nivel M5 al A, el uso de energía se incrementa de manera espectacular de 778 a 3,465 MJ·m^-2·año^-1; debido al uso de enfriamiento mecánico y pantallas térmicas, la eficiencia en el uso de la energía es mayor en el nivel más bajo de tecnología y menor en el más alto.

Figura 2 Uso y eficiencia de la energía en la producción de tomate en invernaderos con diferentes tecnologías. Nivel tecnológico: B = bajo (P, V, G), M1 = medio 1 (P, H, V, S), M2 = medio 2 (P, H, V, S, PT), M3 = medio 3 (P, TP, V, S, CO₂), M4 = medio 4 (P, TP, E, S), M5 = medio 5 (C, TP, V, R, CO₂), A = alto (D, TP, M, PT, CO₂). Donde, cubierta: P = plástico, C = cristal, D = cristal difuso; calefacción: H = calentadores de aire, TP = tuberías de calefacción; enfriamiento: V = ventilación, E = enfriamiento evaporativo, M = enfriamiento mecánico; sustrato: G = suelo, S = sustrato, R = sustrato con reuso de agua; PT = pantallas térmicas; CO₂ = enriquecimiento de CO₂. Fuente: Elaboración propia con datos de ^{Elings et al. (2013)}. 

Los avances tecnológicos también han permitido incrementar la productividad de la mano de obra, como lo muestran ^{Ríos-Flores et al. (2010)} en un estudio realizado en el cultivo de maíz en Ciudad Lerdo, Durango, México. En dicho estudio, la productividad de la mano de obra se incrementó de 14.6 a 20.8 kg·h^-1 en los periodos 1990 a 1992 y 2004 a 2006, lo que significa un aumento de 43 % del producto físico por hora. Los mismos autores mencionan que la productividad de la mano de obra, medida como el rendimiento por hectárea entre el número de trabajadores, en los sistemas de alta tecnología es de 74 kg de maíz por trabajador, mientras que en uno de baja tecnología se reduce hasta 26 kg de maíz por trabajador.

De acuerdo con ^{Pérez-Mesa, de Pablo-Valenciano, y Escudero-Moreno (2004)}, en un estudio hecho en Almería, España, en un invernadero de plástico con cultivo de tomate, la mano de obra representó casi el 35 % del costo total de operación, y el 60 % de la mano de obra se dedicó a tareas como poda, tutorado y limpieza en el invernadero. En la Figura 3 se muestra el porcentaje de mano de obra utilizada en diferentes operaciones en un invernadero, para un total de 3,900 h·ha^-1 (^{Pérez-Mesa et al., 2004}).

Figura 3 Distribución de la mano de obra en la producción de tomate en Almería, España (^{Pérez-Mesa et al., 2004}). 

Dada la importancia del cultivo de tomate en México, es indispensable considerar, no únicamente el incremento de rendimientos por unidad de superficie, sino también el incremento en el uso de recursos en el proceso de producción; por este motivo, los objetivos de este trabajo fueron: 1) estimar la productividad del agua, energía y mano de obra en la producción de tomate, para un invernadero experimental ubicado en la Universidad Autónoma Chapingo; 2) identificar los insumos de la producción que consumen mayor cantidad de energía, con el fin de mejorar algunos aspectos en el manejo de la producción de dicho cultivo.

Materiales y métodos

El presente estudio se llevó a cabo en un invernadero de polietileno tipo cenital de 8 m de ancho y 15 m de largo (120 m²), con dos ventanas laterales, cenitales y malla antiinsectos (Figura 4), localizado en la Universidad Autónoma Chapingo (19° 29’ latitud norte y 98° 53’ longitud oeste, a 2,240 msnm).

Figura 4 Invernadero experimental tipo cenital con riego por goteo ubicado en la Universidad Autónoma Chapingo, 2016. 

La siembra del híbrido comercial de tomate tipo Saladette (Solanum lycopersicum) ‘El Cid F1’ (adquirido en agroinsumos “El Field”) se llevó a cabo el 6 de marzo de 2016 en charolas de poliestireno de 200 cavidades. Se colocó una semilla de tomate por cada cavidad de la charola, se cubrió con 0.5 cm de sustrato turba (peat moss) y se regaron manualmente. El 22 de marzo de 2016 emergieron las plántulas, y el trasplante se llevó acabo el 24 de abril en bolsas de 10 L a una distancia de 30 cm entre cada bolsa y 80 cm entre hilera, con una densidad de 3.5 plantas·m^-2; como sustrato se utilizó roca volcánica (tezontle) (Figura 5). El riego se llevó a cabo de forma manual en los primeros días, después del trasplante se utilizó el sistema de fertirriego por goteo, con válvulas PVC y manguera ciega de 16 mm con capacidad de gotero de 8 L·h^-1 y distribuidor de cuatro salidas. Se realizaron 12 riegos por día, aumentando el tiempo de riego de acuerdo con la etapa fenológica (Figura 6). Para la fertilización se utilizó la solución nutritiva Steiner (^{Steiner, 1980}).

Figura 5 Siembra de semilla y transplante. 

Figura 6 Cultivo de tomate: riego por goteo, desarrollo y cosecha. 

El tutorado de las plantas se llevó a cabo a los diez días después del trasplante, posteriormente se realizó la poda, esto con el fin de tener una mejor iluminación, lo que también facilitó la ventilación. En cuanto al control fitosanitario, únicamente se tuvieron problemas con la mosquita blanca, la cual se controló con un insecticida.

El 8 de mayo, cuando emergieron los primeros racimos florales, se comenzó la polinización manual, que consiste en mover suavemente los hilos que se colocaron en el tutorado para permitir el desprendimiento del polen sobre los estigmas de la flor. Esta actividad se realizó diariamente antes del medio día durante toda la etapa de floración.

Cabe señalar que el experimento realizado tuvo varios propósitos: 1) construir un modelo dinámico de balance de energía para un invernadero con cultivo de tomate (^{Salazar-Moreno, López-Cruz, & Sánchez-Cruz, 2019}), 2) simular el comportamiento del nitrógeno absorbido por el cultivo utilizando el modelo matemático HortSyst (^{Martínez-Ruiz, López-Cruz, Ruiz-García, Pineda-Pineda, y Prado-Hernández, 2019}) y 3) determinar la productividad del agua, energía y mano de obra en la producción de tomate, que fue el objetivo del presente estudio.

La productividad del agua y el uso de agua por el producto se calculan para cierta unidad de superficie, que puede ser hectáreas o metros cuadrados (Ecuaciones 1 y 2; ^{Nederhoff & Stanghellini, 2010}; ^{Parameshwarareddy et al., 2018}).

La cantidad diaria de agua aplicada al cultivo en m³ se obtuvo considerando el gasto de agua en los goteros (8 L·h^-1), número de riegos por día y periodo de tiempo en el que estuvo prendido el sistema.

Con el fin de monitorear el clima en el invernadero, se instaló una estación meteorológica HOBO en el centro del invernadero, para la medición de la temperatura del aire y la humedad relativa. Con los datos obtenidos se calculó el déficit de presión de vapor (DPV) durante el ciclo de cultivo a partir de las siguientes ecuaciones propuestas por ^{The Institute of Measurement and Control (1996)} para temperaturas entre -45 a 60 °C:

donde t _a es la temperatura del aire (^oC), HR es la humedad relativa (%), e _s es la presión de vapor a saturación (kPa), e _a es la presión de vapor a la temperatura del aire (kPa) y DPV es el déficit de presión de vapor (kPa).

Para evaluar el desempeño en el uso de la energía, se utilizaron los indicadores descritos por ^{Djevic y Dimitrijević (2004)}, y ^{Pahlavan et al. (2011)}, los cuales se describen a continuación:

Los índices anteriores incluyen dos tipos de entradas de energía: la energía indirecta en semillas, fertilizantes, herbicidas, pesticidas, y la energía directa que incluye mano de obra, electricidad y riego. La cantidad de cada uno de los insumos mencionados se contabilizó a lo largo del ciclo del cultivo, así como la producción de tomate (kg), y las equivalencias en MJ se obtuvieron a partir de la información del Cuadro 2.

La productividad de la mano de obra (MO) se obtuvo con la Ecuación 9.

Para poder contabilizar el número de horas empleadas en la producción de tomate, se llevó a cabo un registro diario de las personas que trabajaron en el cultivo de tomate, cada uno registraba su jornada diaria anotando hora de entrada y salida.

Resultados y discusión

En la Figura 6 se muestra el cultivo de tomate desarrollado y el inicio de la cosecha. El consumo de insumos durante un ciclo de producción, comprendido del 24 de abril (transplante) al 16 de octubre de 2016, se reporta en el Cuadro 2, así como su equivalencia en energía de acuerdo con varios autores.

Los rendimientos en la producción de tomate fueron de 19.07 kg·m^-2, arriba de los rendimientos reportados por ^{FIRA (2019)} de 17.67 kg·m^-2 en condiciones de invernadero en México, pero por debajo de los reportados por ^{Elings et al. (2013)} de 21.6 kg·m^-2 en la simulación realizada para invernaderos de baja tecnología.

El Cuadro 3 muestra el volumen total de riego por día durante un ciclo de producción de tomate. La variación de agua por día se debe a la etapa fenológica en la que se encuentra el cultivo, y si un día no había agua en el recipiente de escurrimiento, se incrementaba el riego 1 min.

La WUE calculada en el invernadero experimental fue de 27.86 kg·m^-3. Dicha cifra es superior a la encontrada por ^{Elings et al. (2013)} de 7.2 kg·m^-3 para invernaderos de baja tecnología en suelo, pero se encuentra dentro del rango de 24.7 a 35.2 kg·m^-3 para los niveles tecnológicos medio 2 (M2) (invernadero de plástico con sistema de calefacción y pantallas térmicas) y medio 3 (M3) (invernadero de plástico con sistema de calefacción y enriquecimiento de CO₂).

La WUE obtenida es equivalente a 35.89 L·kg^-1, lo cual está dentro del rango de PWU que reportan ^{van Kooten et al. (2008)} para invernaderos de plástico sin calefacción (30 a 40 L·kg^-1). En estudios más recientes realizados en tomate a campo abierto con sistema de riego por goteo, ^{Parameshwarareddy et al. (2018)} encontraron que la mayor WUE (83.37 kg·m^-3) se obtuvo al utilizar el sustrato fibra de coco + perlita + vermiculita (50:25:25).

En este estudio, el consumo de agua diario durante el desarrollo de la planta varió entre 1.4 y 5.6 L·m^-2·día^-1 (Cuadro 3). El agua consumida por la planta durante el ciclo de producción fue de 195 L, cifra elevada si se compara con la obtenida por ^{Parameshwarareddy et al. (2018)} de 20.83 y 37.65 L·planta^-1.

Durante el periodo de temperaturas más altas, del 18 junio al 26 de agosto, el DPV promedio fue de 0.33 kPa, cifra menor al rango óptimo reportado por ^{Shamshiri et al. (2018)} para cultivo de tomate bajo invernadero (de 0.47 a 1.27 kPa). Algunos autores como ^{Na, Michiko, Kozai, y Wataru (2015)} reportan valores de DPV de 1.8 kPa durante el mediodía en invierno para el cultivo de tomate bajo invernadero. El valor obtenido significa que la planta no estuvo estresada.

De acuerdo con el Cuadro 2, el mayor consumo de energía durante el ciclo de producción del tomate correspondió al Nitrato de calcio y al Nitrato de potasio, lo cual coincide con lo encontrado por ^{Martínez-Ruiz et al. (2019)}, quienes mencionan que puede existir un desperdicio de aproximadamente el 50 % del fertilizante aplicado en el experimento bajo estudio.

La RUE fue de 0.2648 MJ·MJ^-1, resultado mayor al reportado por ^{Pahlavan et al. (2011)} de 0.001 MJ·MJ^-1, pero menor al reportado por ^{Dimitrijević et al. (2015)}, ^{Shamsabadi et al. (2017)} y ^{Sepat et al. (2013)} de 0.52, 1.16 y 1.36 MJ·MJ^-1, respectivamente. Sin embargo, los últimos autores además de considerar el fruto del tomate como salida de energía, también toman en cuenta la energía en la hojarasca, la cual aporta 7.5 MJ·kg^-1, mientras que el fruto de tomate agrega 0.8 MJ·kg^-1.

Por otro lado, la PE fue de 0.331 kg·MJ^-1 y su inverso, la EE, fue de 3.02 MJ·kg^-1, superior a la reportada por ^{Sepat et al. (2013)} de 2.42 MJ·kg^-1 para producción de tomate bajo invernadero. El consumo de energía por m² fue de 57.61 MJ.

En el segundo enfoque, se consideró únicamente el consumo de electricidad de un motor monofásico, por lo que la EUE se expresó de la siguiente manera:

La cifra anterior se encuentra por debajo de lo reportado por ^{Dannehl et al. (2013)} para un invernadero tipo colector solar, pero está por arriba de lo reportado para invernaderos sin calefacción en España.

En relación con la mano de obra, durante el ciclo de producción de tomate se utilizaron 758 h de mano de obra para una superficie de 120 m² y producción de 2,288.94 kg de tomate. En la Figura 7 se desglosa el porcentaje de horas utilizadas en cada operación.

Figura 7 Distribución de horas de trabajo empleadas en un ciclo de producción de tomate en un invernadero experimental tipo cenital.  

El mantenimiento y limpieza ocuparon el 78 % de la mano de obra durante el ciclo de producción, superior al reportado por ^{Pérez-Mesa et al. (2004)} entre labores de cultivo, mantenimiento y limpieza. La productividad de la mano de obra fue de 3.019 kg·h^-1.

Conclusiones

Un aspecto que se debe considerar en cualquier sistema productivo es el impacto ambiental que se tiene a través del uso de recursos, particularmente agua y energía. La producción bajo invernadero ha logrado incrementar la productividad en el uso del agua, pero no ha ocurrido así con el uso de la energía, en donde a medida que incrementa el nivel tecnológico se requiere mayor consumo de energía para la producción de 1 kg de tomate.

En el presente trabajo se estimó la productividad en el uso de agua, energía y mano de obra en la producción de tomate, y los resultados indican que aun en invernaderos de baja tecnología, el consumo de energía es elevado debido al uso excesivo de fertilizantes. La productividad en el uso de agua, aunque estuvo dentro de los rangos reportados por otros autores para invernaderos de baja tecnología, es una cifra elevada comparada con sistemas hidropónicos cerrados en invernaderos de alta tecnología.

La producción de tomate en invernaderos es una actividad que requiere de muchas horas de mano de obra, sobre todo en las labores de mantenimiento y recolección. En invernaderos con mayor superficie, se podrían reducir las horas de trabajo instalando un sistema de manejo de materiales (sistemas móviles, bancas con ruedas) y mayor ventilación.