icon-category icon-close icon-closequote icon-down icon-download icon-evento icon-facebook icon-instagram icon-lang icon-linkedin icon-lupa icon-menu icon-next icon-openquote icon-paper icon-pluma icon-popular icon-prev icon-send icon-share icon-twitter icon-ultimo icon-video icon-youtube share-facebook share-gplus share-linkedin share-mail share-twitter

Noviembre 2017 | Riego

Tecnología remota y monitoreo de humedad de suelo

Fundamentos de la programación del riego

El principal objetivo del riego es maximizar la producción manteniendo a la planta transpirando, pero sin asfixiar las raíces. La cantidad total de agua a aplicar depende del cultivo y de parámetros climáticos, pero normalmente el suelo juega un rol clave para determinar la frecuencia de riego. Existen cada vez más sistemas remotos de programación de riego, los que en base a modelos matemáticos montados en plataformas informáticas o softwares, indican a los productores cuánta agua reponer diariamente. Por lo general, estos sistemas incorporan variables atmosféricas y definen un coeficiente de cultivo (Kc), sin considerar la condición de suelo. En muchos casos esto es suficiente para cultivos extensivos, en condiciones climáticas uniformes y sin grandes variaciones de suelo.

Un programa de riego busca reponer el agua evapotranspirada por el cultivo, pero con el desafío de mantener la humedad del suelo entre dos umbrales. Por un lado, se debe evitar el cierre estomático -provocado por la falta de agua fácilmente extraíble por las plantas-, con el fin de no frenar la fotosíntesis y poder optar al máximo rendimiento potencial del cultivo. Pero, por otro lado, se deberá evitar el exceso de agua en el suelo, puesto que las raíces de las plantas dependen de la presencia de oxígeno para su normal desarrollo, y porque el exceso de agua provoca enfermedades. Además, el agua no utilizada por el cultivo se pierde por percolación profunda, en muchos casos arrastrando fertilizantes.

Los excesos de humedad pueden ser inducidos porque se aplica mucha agua en cada evento de riego o porque la frecuencia de riego es muy alta, o sea, porque el período de tiempo entre riegos es muy corto.

El agua total a aplicar durante el ciclo productivo dependerá básicamente de las características del cultivo (especie, densidad de plantación o siembra, edad del huerto – en el caso de los frutales, etc.) y de parámetros atmosféricos tales como radiación, temperatura, humedad relativa y viento. Sin embargo, la duración de cada evento de riego, así como la frecuencia con que se aplica el agua, dependerá de las características del sistema de riego y del tipo de suelo en que se cultiva. En sistemas de riego tales como por surco o pivote, por ejemplo, no es posible o se dificulta la aplicación diaria de agua.

Si el cultivo deja de transpirar, comienza a tener conflictos con la regulación de temperatura, por lo que la planta se calienta y sus procesos metabólicos se alteran, provocando problemas fisiológicos -entre otros- nutricionales, puesto que varios de los nutrientes más importantes se absorben por flujo de masas. Esto frena la fotosíntesis y detiene la producción de fotoasimilados por lo que no se acumulan azúcares y almidón, lo que lleva a la pérdida de producción.

La cantidad de agua que la planta transpira es enorme en tanto que la cantidad de agua que permanece en sus tejidos es pequeña. Otra cantidad de agua solo se evapora, en un porcentaje que puede llegar al 30%, según lo que se ha estudiado en algunos frutales. Este último es un factor de pérdida de agua importante y hoy se está evaluando con más detenimiento.

DEMANDA ATMOSFÉRICA DE AGUA

El suelo, la planta y la atmósfera constituyen un sistema continuo. La atmósfera genera una demanda ilimitada de agua y la planta es la unidad conductora entre el suelo y la atmósfera, ya que absorbe el agua del suelo, la que luego circula por el xilema y, finalmente, sale hacia la atmósfera a través de los estomas de las hojas en un proceso llamado transpiración.

Las plantas transpiran básicamente por un diferencial de energía entre la atmósfera y el suelo. Es decir, una gradiente entre la energía con que el agua está retenida en el suelo y la energía con que el agua está retenida en la atmósfera, partido por una resistencia. Entonces, si hay agua en el suelo la diferencia de potencial va a ser alta y el cultivo va a transpirar. Sin embargo, la transpiración también se puede bloquear cuando la demanda atmosférica es demasiado alta y la estructura de la planta no es capaz de mantener la transpiración a ese nivel, por ejemplo, al medio día, durante el período del día de mayor radiación.

El fenómeno está dado, entonces, por la radiación o luz solar, que es energía. Watts por metro cuadrado, energía que incrementa la temperatura de la planta por lo que esta transpira. Para transpirar la planta utiliza las propiedades del agua pues absorbe el agua en su fase líquida y la transforma en vapor, entonces, al cambiar el agua de estado captura energía (calor). Para facilitar el cálculo, para el caso del riego, esa energía (por ejemplo, en watts) se convierte a milímetros día (de agua evaporada), ya que la Eto se podría expresar directamente como watts por metro cuadrado. Lo que hace este modelo es determinar cuántos milímetros de agua deben irse a la atmosfera según la cantidad de watt/m2 que la planta está recibiendo de modo de mantener su temperatura.

LAS INCERTEZAS DE LOS DATOS CLIMÁTICOS

Si solo se utilizan parámetros climáticos para programar el riego, según el especialista de INIA Raúl Ferreyra, se puede llegar a un 70-80% de precisión en la aplicación de agua. Esto, puesto que determinar factores clave como son la evapotranspiración o Eto y el coeficiente de cultivo o Kc, está sujeto a incertidumbres. En el caso de cultivos como son gran variedad de hortalizas y frutales, en que la calidad de lo cosechado es un parámetro importante, ese nivel de precisión -20-30% de error- por lo general no es suficiente. Más aun cuando todavía queda por considerar la variabilidad del suelo y las limitantes de este.

Dentro de un mismo cuartel de riego o entre dos sectores de un mismo campo, podemos determinar los coeficientes de cultivo y la evapotranspiración y encontrar grandes diferencias. Por lo tanto, hay sectores a los que se debería aplicar bastante menos agua que a otros. Pero además de ajustar el riego, desde el punto de vista agronómico, es importante entender por qué esas zonas transpiran menos y producen menos de lo esperado.

Si se trabaja con FAO Penman-Monteith (método estándar), se debe contar con una estación meteorológica que mida radiación, temperatura, humedad relativa y viento, con lo que se calcula la Eto (ver recuadro). Pero, ¿estará correctamente instalada la estación meteorológica? Por ejemplo, está en situación de referencia. ¿Estarán bien calibrados los diferentes sensores? Sensores que deben ser enviados a calibrar cada cierto tiempo. Entonces, en la práctica, la Eto determinada mediante estación meteorológica corresponde a una aproximación. Más aun, si la información se extrapola de redes de estaciones meteorológicas, qué tan buenas son estas y cuál es la densidad de la red. Entonces, hay incertidumbre tanto en la determinación de la Eto como en el Kc.

En los casos en que al cultivo se le repone el agua día a día, por ejemplo, si se consumen 5 mm diarios se reponen 5 mm diarios, el suelo pierde importancia porque solo se busca mantener un balance con lo evapotranspirado. Hasta este nivel la programación del riego resulta fácil, ya que solo se riega en base a los milímetros de agua que demanda la atmósfera. Pero, ¿qué pasa si por limitaciones del sistema de riego o del suelo, no se puede o no es comveniente reponer el agua al cultivo todos los días?

Imágenes que muestra la evolución del NDVI. En la actualidad se puede mejorar el coeficiente de cultivo por medio de estas imágenes, las que permiten extrapolar el coeficiente de cultivo.

¿QUÉ PASA BAJO EL SUELO?

En su composición los suelos presentan un componente mineral: limos, arcillas, arenas, más materia orgánica; pero, además, otro componente importante son los poros. “Uno de los problemas que presenta el suelo es que, aunque contenga un 50% de espacio poroso, con frecuencia gran parte de esos poros son pequeños. Estos son denominados microporos y dificultan el intercambio gaseoso en el suelo”, explica el experto en riego y asesor internacional en la materia, Raúl Ferreyra.

En el suelo, las partículas de limo, arena o arcilla se adhieren gracias a la materia orgánica y forman agregados de mayor tamaño. Entre ellos quedan espacios más grandes o macroporos, los que drenan por gravedad y a los que entra el aire, permitiendo un intercambio de gases. Pero así mismo existen microporos, los que solo contienen agua. La proporción entre macroporos y microporos cambia dependiendo del tipo de suelo y puede llegar a ser limitante para el desarrollo de las plantas. “El riego es una pugna entre dos extremos cuyo objetivo es lograr un buen contenido de agua y un buen contenido de aire en el suelo. Si hay mucha agua no habrá aire y si hay mucho aire no habrá agua”, señala Ferreyra. Un aspecto importante es que no todos los cultivos presentan las mismas necesidades de porosidad y aireación.

GRÁFICO 1. Efecto del riego en la aireación.

El gráfico 1 muestra los niveles de humedad y de aireación en un suelo con 45% de poros totales. Se aprecia que la humedad es del 30% a capacidad de campo por lo que solo un 15% corresponderá al contenido de aire. Si por error en el régimen de riego el suelo se mantiene permanentemente por sobre capacidad de campo, se va a mantener una alta humedad, pero al mismo tiempo se puede llevar al contenido de aire a valores en los que se daña al cultivo. Por otro lado, si se riega dejando secar el suelo y se va reponiendo solo hasta cierto nivel, se puede tener cierre estomático y menor transpiración por falta de agua.

Los diferentes cultivos no disponen de la misma cantidad de agua en el suelo. “La cantidad de agua que almacena un suelo y que puede tomar el cultivo sin provocar cierre estomático depende de cada especie cultivada, por lo que se define una fracción de agotamiento que es propia de cada cultivo. Por ejemplo, en el caso de la uva de mesa se puede agotar hasta un 35%, en el caso de caña de azúcar se puede agotar hasta un 65% antes de que haya cierre estomático y en el caso de palto se puede agotar hasta un 70%. Ahora sabemos que hay diferencias y eso se puede utilizar dentro de nuestros programas de manejo del riego para resolver la relación agua aire del suelo”, señala Ferreyra.

SISTEMAS O MODELOS DE PROGRAMACIÓN DEL RIEGO

Para que la programación del riego sea adecuada, es necesario considerar entre otros factores:

• Condiciones del clima que determinan la demanda evaporativa de la atmósfera o la evapotranspiración de referencia (ETo).

• Características propias del cultivo, como son su estado de desarrollo, el período fenológico (coeficiente Kc) y la distribución del sistema radicular.

• Características propias del suelo, tales como capacidad de retención de humedad, aireación, profundidad y su variabilidad espacial, entre otras.

RESISTENCIA DE RAÍCES Y LA IMPORTANCIA DEL SISTEMA RADICULAR

Otro factor que afecta la transpiración de los cultivos es la resistencia. Las resistencias más relevantes que afecta a la fase líquida, son las que se originan entre suelo y raíz, la que puede tener muchas causas. Por ejemplo, si no se tiene raíces o se tiene pocas raíces, por más que haya agua en el suelo, se mantendrá bloqueada la transpiración.

Según los datos de FAO 56, en uva de mesa los sistemas de raíces presentan un potencial de entre 1 y 2 m de profundidad y en el caso del palto de entre 50 cm y 1 m. “Sin embargo, en muchos casos, cuesta encontrar sistemas radiculares de esa profundidad. Es así que partimos con problemas de modo que no logramos alcanzar los potenciales productivos”, advierte Ferreyra.

De acuerdo al experto, la resistencia de raíces se relaciona con el permanente crecimiento de las mismas. Las raíces presentan una zona llamada Cofia en la que no hay pared celular, por lo que la resistencia a la entrada de agua va a ser menor. Aunque la raíz no esté muerta, si deja de crecer, aumenta la resistencia. El desafío, entonces, es lograr un sistema radicular denso, profundo y que esté creciendo la mayor cantidad de tiempo posible, para tener una baja resistencia y que la transpiración se maximice. Gracias a la mayor transpiracion el agua que se evapora se transforma en kilos a la cosecha por lo que se logran altos rendimientos y se tienen menos desórdenes fisiológicos y problemas de poscosecha.

Entre las funciones del sistema radicular están el anclaje, la absoción de agua y nutrientes, la producción de reguladores de crecimiento. Esto último es importante porque cualquier estrés que detenga el desarrollo radicular o que haga que las raíces se subericen, va a provocar la producción de ácido abscísico (ABA) y va a disminuir la producción de citoquininas, lo que va a afectar el desarrollo aéreo de la planta. Entonces, además de una menor absorción de agua y nutrientes, se va a tener problemas con el balance de fitohormonas.

Pero además las raíces acumulan reservas. Es gracias a esa energía acumulada que, por ejemplo, brota la uva de mesa a principio de temporada o crece la caña, luego de la zafra. No hay hojas y por tanto no hay fotosíntesis por lo que las plantas parten con los carbohidratos (almidón) acumulados en las raíces.

“Mientras mayor densidad de raíces y más profundo el sistema radicular esta resistencia será menor y estos números van a ser más grandes. Entonces, es importante desarrollar sistemas radiculares profundos y densos, pero a veces nos conformamos con tener sistemas radiculares muy deficientes y aun así pretendemos tener alta transpiración y altos rendimientos”, señala Ferreyra.

Por otra parte, además hay una resistencia propia del suelo, la que dependerá de la conductividad hidráulica del mismo. Los suelos arenosos presentan conductividades hidráulicas mayores -por lo que las resistencias son menores en estos suelos- en tanto que en los suelos arcillosos la resistencia es mayor.

Para determinar el coeficiente de cultivo se puede tomar los datos generados por FAO, pero los coeficientes de cultivo de FAO obedecen a una realidad en que todo funciona perfecto y corresponde al máximo reportado en las condiciones en que se midió para una especie vegetal o variedad en particular. En la actualidad se puede mejorar el coeficiente de cultivo por medio de imágenes de NDVI, las que permiten extrapolar el coeficiente de cultivo. Estas imágenes, según expertos consultados, también presentan margen de error y así mismo son obtenidas en base a aparatos que deben ser calibrados. Sin embargo, en particular para cultivos extensivos, son consideradas un avance y en muchos casos una buena aproximación.

Con las imágenes se tienen dos opciones, con un sistema tipo Metric se puede llegar a determinar la evapotranspiración del cultivo o Etc (Etc = Eto x Kc) pero también se puede llegar solo al NDVI y con estaciones en el campo, como las de Eddy Covariance (o face runaway), se puede relacionar NDVI con coeficiente de cultivo y trabajar con ecuaciones. De este modo, en vez de dar el NDVI se puede dar a los agricultores un coeficiente de cultivo específico para cada campo. Por lo general, en las plataformas de internet de programación de riego, el productor clickea su campo y accede a su coeficiente de cultivo, en este caso, mucho más ajustado a la realidad que el de FAO. Es decir, son un avance y un aporte a la programación de riego.

Sin embargo, por lo general, “nos están dando la Etc pero no sabemos cómo o con qué datos se calculó la Eto, ni qué coeficiente de cultivo utilizó. Puede que sea un coeficiente corregido mediante NDVI o puede que se esté usando los datos de FAO”, señala Ferreyra. Una limitante del NDVI y las imágenes en general es la saturación. “Existen varios cultivos importantes en que las imágenes se saturan, por ejemplo, caña de azúcar y maíz. En tanto que en el caso de los frutales el problema puede ser la fruta ya que se puede tener vigor, pero no tener fruta”, afirma el experto.

Las calicatas permiten observar directa pero subjetiva y trabajosamente la humedad del suelo.

DIFERENCIA ENTRE CULTIVOS Y FRUTALES

Como nos explicaba Raúl Ferreyra en un artículo anterior, “los frutales presentan variables tales como años de mayor carga y años de menor carga y coeficientes de cultivo (Kc) así mismo variables, ya que incluso hay diferencia entre variedades de una misma especie, por ejemplo, por distintas fechas de cosecha. Por ejemplo, en un huerto de aguacate de 2,5 x 2,5 m y en otro de 6 x 4 m, ¿se tendrá el mismo coeficiente de cultivo? O si en un mismo huerto hay zonas con plantas más débiles porque el suelo es más limitante que en otras zonas con mejor suelo, ¿tendrán ambas el mismo coeficiente de cultivo?, la respuesta de Ferreyra es que el Kc puede variar incluso dentro de un mismo huerto. Lo mismo ocurre en áreas más grandes en que se generan microclimas, por ejemplo, valles entre cerros, lomas u otros terrenos irregulares. Relieve bastante común en el caso de la fruticultura chilena.

Sin embargo, en situaciones de cultivos extensivos, en las condiciones que se observan en grandes áreas de EEUU, Brasil o Argentina, por ejemplo; con condiciones muy estandarizadas de genética, uniformidad de suelo y clima, es posible determinar la Eto y el Kc, y por tanto la Etc, con una exactitud aceptable y posibles de aplicar en extensas zonas productivas.

Cuando se produce uva de mesa, palto, cítricos, frutales de pepita o carozo, la realidad es que los suelos en que se cultiva frecuentemente presentan variabilidad y diferentes limitantes. Pero es importante afinar el programa de riego de manera de sacarles el mayor rendimiento. Para esto son necesarias otras herramientas que permitan entender mejor lo que está ocurriendo bajo el suelo.

Una alternativa tradicional son las calicatas, las que permiten observar directa pero subjetiva y trabajosamente la humedad del suelo. Otra herramienta, pero que además permite monitoreo continuo, son las sondas de capacitancia o sondas FDR (Frequency Domaine Reflectometry), las que, según los especialistas, permiten ir ajustando y optimizando el programa de riego. Pero, advierte Ferreyra, “las sondas no deben ser utilizadas directamente para decidir regar, sino para -con el tiempo- lograr la mejor estrategia de riego posible”. En el caso de estos sensores, el reto es instalarlos en lugares críticos o representativos de una importante área del huerto.

Esquema de sonda de capacitancia o sonda FDR (Frequency Domaine Reflectometry), las que permiten ir ajustando y optimizando el programa de riego.

 

DEFINICIONES IMPORTANTES:

Eto: es la evapotranspiración de referencia, normalmente determinada por la ecuación de Penmann- Montheith, en milímetros. ETo (mm) depende de la radiación neta, la temperatura del aire, la humedad relativa y la velocidad del viento, entre otros parámetros. En consecuencia presenta una variación temporal (estacional) y espacial (ubicación geográfica).

Kc: corresponde a un coeficiente de cultivo, que refleja las características propias de cada cultivo, el cual depende del área foliar del cultivo, de la conductancia estomática, la arquitectura de la planta, su rugosidad y aspectos de manejo, tales como la densidad de plantación, entre otros factores. Kc presenta una variación agronómica (manejo), temporal (evolución del dosel), pudiendo ser considerado constante espacialmente (entre diferentes condiciones geográficas), entre especies y manejos similares, para los mismos estados de desarrollo.

Etc: es la evapotranspiración del cultivo bajo condiciones estándar. Se refiere a la evapotranspiración de cualquier cultivo cuando se encuentra exento de enfermedades, con buena fertilización, bajo óptimas condiciones de suelo y agua, y que alcanza la máxima producción de acuerdo a las condiciones climáticas reinantes.

Agua Fácilmente Aprovechable (AFA): A pesar de que en teoría existe agua disponible hasta alcanzar el punto de marchitez permanente, la cantidad de agua extraída por el cultivo se reducirá significativamente antes de alcanzar el punto de marchitez permanente. Cuando el suelo contiene suficiente humedad, el mismo es capaz de suministrar el agua con suficiente velocidad para satisfacer la demanda atmosférica al cultivo, por lo que la extracción del agua será igual a la ETc. A medida que disminuya la cantidad de humedad en el suelo, el agua será retenida más fuertemente a la matriz del suelo y será más difícil de extraer. Cuando el contenido de humedad del suelo esté por debajo de cierto valor umbral, el agua del suelo no podrá ser transportada hacia las raíces con la velocidad suficiente para satisfacer la demanda transpiratoria y el cultivo comenzará a sufrir de estrés. La fracción que un cultivo puede extraer de la zona radicular sin experimentar estrés hídrico es denominada agua fácilmente aprovechable en el suelo.

NDVI: Índice de vegetación de diferencia normalizada, NDVI por sus siglas en inglés, es un índice usado para estimar la cantidad, calidad y desarrollo de la vegetación con base a la medición, por medio de sensores remotos de la intensidad de la radiación de ciertas bandas del espectro electromagnético que la vegetación emite o refleja.

SISTEMAS COMPLEMENTARIOS PARA LOGRAR EL PROGRAMA ÓPTIMO

Los sistemas de programación de riego que solo incorporan parámetros climáticos son capaces de proporcionar información que puede ser suficientemente exacta para tomar decisiones de riego en el caso de cultivos extensivos, en suelos con poca variabilidad y sin limitantes importantes, pero no serían de tanta utilidad en el caso de, por ejemplo, los frutales; o en situaciones de alta variabilidad de suelo o de suelos limitantes. Para Ferreyra, los dos sistemas pueden ser utilizados de manera complementaria, ya que con los sensores de humedad de suelo también se generan incertezas y, por lo demás, la información generada debe ser correctamente interpretada. “Creo que se deben usar ambos sistemas, en particular en cultivos tales como los frutales, porque así como las variables atmosféricas generan incertezas, con los sensores de humedad de suelo así mismo se puede cometer errores. Por ejemplo, pueden estar mal instalados, mal calibrados o pueden ser mal interpretados”.

Finalmente, los sistemas de monitoreo y control de riego suelen cumplir dos objetivos importantes. El primero, aquí analizado, es el que apunta a determinar el coeficiente de cultivo y ajustar la Eto, entre otros parámetros físicos. Es la etapa predictiva de la programación de riego, la que tiene por finalidad establecer a priori los tiempos y las frecuencias entre riegos que permitan obtener un adecuado desarrollo de los cultivos. Pero otro objetivo igualmente importante corresponde al control de gestión. “Hoy una de las prioridades de los agricultores es el control de gestión, ya que por lo general saben más o menos bien qué hacer en cuanto a la cantidad de agua a reponer, pero un asunto diferente es tener la seguridad de que el programa de riego se ejecutó según lo planeado. Es importante hacer las correcciones a tiempo y no recién cuando se va a cosechar”, puntualiza Ferreyra.