ALIANZA UCDAVISChile+MUNDOAGRO

48 FEB 2017

Las tecnologías para aumentar la eficiencia del riego en una agricultura moderna.

AGUAQUE VALE ORO

Francisco Rojo, Ph.D.Investigador Posdoctoral

en Tecnologías Agroclimáticas U. de California, Davis en Chile

l riego ha sido decisivo en el aumento de la producción de alimentos para soste-ner a una población que crece dramáticamente.

En la actualidad, el 70% del alimento mundial -300 millones de hectáreas- es producido por la agricultura de riego. Por supuesto, estas hectáreas representan una amplia gama de situaciones de suelos, climas y cul-tivos, además de distintos niveles de disponibilidad de agua, de situaciones culturales y de sistemas de riego.

Todo esto ha llevado al desarrollo de un sinnúmero de tecnologías de riego, concepto que agrupa a todas aquellas herramientas o prácticas de manejo que nos ayudan a hacer un mejor uso del agua. Estas tecnologías han permitido aumentar los rendi-mientos y la eficiencia de nuestros sistemas de regadío y es probable que nuestra habilidad para crear nuevas tecnologías definirá la rapidez con la que podremos adaptarnos al cambio climático.

En este artículo, las tec-nologías de riego fueron divi-didas en dos grandes grupos: (1) Sensores y sistemas de monito-reo capaces de proporcionar infor-mación sobre los requerimientos hídricos de los cultivos para una toma de decisión informada, y (2) tecnologías inalámbricas que persiguen mejorar la conectividad en el campo para permitir la adqui-sición de datos en tiempo real y/o el control remoto de válvulas.

LA EVOLUCIÓNDE LOS SENSORES

La industria de los sensores es dinámica y diversa. En los últimos años, su crecimiento ha sido impulsa-do por disminución de costos, reduc-ción en tamaño y facilidad de uso. En paralelo, los sensores se han vuelto más precisos, inteligentes y conec-tados al mundo. Existe un enorme potencial en mejorar prácticas agrí-colas gracias al empleo de informa-ción proporcionada por sensores, la cual debe ser procesada e integrada a sistemas de soporte de decisión, para

entregar al agricultor información en forma amigable y oportuna.

En general, las tecnologías que buscan determinar el reque-rimiento hídrico de cultivos han seguido dos tendencias, aquellas que se basan en el balance hídri-co del sistema suelo-planta y el estado hídrico de las plantas.

En el primer caso, se considera que el sistema está compuesto por entradas de agua (riego o lluvia), un reservorio donde se acumula (suelo) y salidas de agua (evapotranspira-ción, escorrentía superficial, percola-ción profunda, etc.). En la actualidad, existen sensores y modelos que pue-den ayudarnos a determinar cada uno de los componentes de este balance.

Por ejemplo, caudalímetros o pluviómetros monitorean las entra-das; sensores de humedad de suelo, el agua acumulada, y modelos de evapotranspiración basados en el balance de energía, las salidas. En este último caso, los requerimien-tos hídricos pueden ser obtenidos monitoreando la evapotranspi-ración (reponiéndola a través del riego) o el contenido de agua en el suelo (manteniéndolo en un nivel deseado).

Sin embargo, ninguno de estos métodos considera el estrés hídrico de la planta en forma directa, aun cuando hay evidencia que señala que éstas pueden regular el flujo de agua en situaciones de estrés. Es por esto que también existe interés en determinar los requerimientos de agua por medio del estado hídrico de las plantas.

CONTENIDO DE AGUADEL SUELO

Las técnicas más comunes para determinar el contenido de agua en el suelo están basadas en el contenido gravimétrico, las propiedades eléctri-cas del suelo, el potencial del agua en el suelo y los métodos radioactivos.

Si bien las técnicas gravimétricas suelen ser consideradas el estándar, su uso requiere de tiempo y trabajo, ya que para determinar el contenido de agua se deben pesar muestras de

suelo antes y después de ser secadas en un horno. Para suplir esta defi-ciencia, varios sensores capaces de medir el contenido de agua del suelo in situ han sido incorporados en el mercado.

Los sensores basados en las pro-piedades eléctricas del suelo son los más comunes debido a su bajo costo, facilidad de uso y capacidad de adquirir datos en forma conti-nua. Un ejemplo son los sensores de capacitancia, que poseen dos electrodos que detectan la cons-tante dieléctrica del suelo (foto 1a). Tienen la ventaja de ser económi-cos, pero dependen del tipo de suelo (requieren de calibraciones en terreno) y presentan un volumen de influencia pequeño, por lo que tie-nen el riesgo de que sus mediciones no sean representativas, lo que es especialmente importante en cul-tivos con gran desarrollo radicular.

Los sensores TDR (Time-Domain Reflectometry) también se basan en la constante dieléctrica del suelo y se caracterizan por tener mediciones independientes de la textura y la temperatura. Sin embar-go, su costo inicial suele ser más alto que los sensores de capacitancia.

También han sido ampliamen-te usados sensores basados en la resistencia eléctrica (foto 1b), la que puede ser determinada direc-tamente en el suelo o en un mate-rial que está en equilibrio con éste, como yeso o cerámica. El costo de esta tecnología suele ser bajo y su volumen de influencia amplio, ya que muchos de estos sensores basan sus mediciones en el potencial del agua que se encuentra en equilibrio con el medio. Sus desventajas son que requieren de calibraciones indi-viduales y en el caso de los sensores que miden potencial, también de información adicional para conver-tir sus valores en contenido volumé-trico de agua.

Otra alternativa son las técnicas radiactivas, como la dispersión de neutrones, cuyas mediciones son consideradas precisas, pero con un alto costo inicial.

50 FEB 2017

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EVAPOTRANSPIRACIÓNDEL CULTIVO

Los métodos basados en la esti-mación de evapotranspiración son probablemente los que presentan un mayor grado de aceptación en la actualidad. Tradicionalmente, la evapotranspiración (ET) ha sido cal-culada usando estimaciones de eva-potranspiración de referencia (ET0), que corresponde a la evapotranspira-ción de un pastizal con características específicas, el cual se corrige usando un coeficiente de cultivo (Kc) para estimar la evapotranspiración del cul-tivo (ETc). Sin embargo, los valores de Kc han sido cuestionados, ya que dependen de la localidad y del mane-jo. A esto se suma que las estaciones meteorológicas no son siempre bien mantenidas, por lo que los valores de ET0 pueden no ser confiables.

La evapotranspiración del cul-tivo, también puede ser obtenida directamente mediante técnicas como el Surface Renewal, considera-da como una alternativa interesante debido a su bajo costo en relación con otras técnicas similares, como el Eddy Covariance o el lisímetro. Surface Renewal estima ET ana-lizando el balance energético de parcelas de aire que se mueven al interior de la canopia por flujo tur-bulento. Una termocupla es usada para obtener el flujo de calor sensi-ble; luego esta información junto con valores de radiación neta y flujo calor del suelo son usados para determinar ET (foto 2). Combinando los valores

estimados por Surface Renewal y por las estaciones de evapotranspiración de referencia, los coeficientes de cultivos pueden ser estimados para diferentes condiciones de pendiente, exposición, orientación, etc.

Ha habido interés además por desarrollar técnicas basadas en per-cepción remota por medio de imáge-nes satelitales o aéreas. Estas gene-ralmente se basan en modelos de balance de energía y radiación neta. Liou and Kar (2014) revisaron distin-tas técnicas para estimar ET y conclu-yeron que las precisiones obtenidas varían dependiendo del modelo ocu-pado y de la escala temporal y espacial utilizada. Adicionalmente, las herra-mientas de percepción remota pue-den ser usadas en conjunto con medi-ciones de terreno para crear zonas de manejo y definir la posición de senso-res o de estaciones de monitoreo.

El centro de innovación UC Davis Chile está liderando en nuestro país las investigaciones relacionadas con la estimación de evapotranspiración. Actualmente, desarrolla un proyec-to con VSPT Wine Group, en el cual

investigadores de UC Davis (Estados Unidos), con el apoyo de las univer-sidades de Talca y de Tarapacá, están usando estaciones de Surface Renewal para determinar los requerimientos hídricos de la vid bajo distintos niveles de producción, sistemas de conduc-ción y variedades. El propósito de esta iniciativa es usar la información gene-rada por las estaciones para desarro-llar herramientas que permitan mejo-rar el manejo del riego en la viña.

ESTADO HÍDRICODE LA PLANTA

El Riego Deficitario Regulado (RDR) busca aumentar la eficien-cia en el uso del agua aplicando un riego inferior al requerido para el crecimiento óptimo del cultivo. Este método ha sido sugerido para lugares con escasez de agua, aunque también puede ser usado para mejorar la cali-dad en cultivos como la vid. El éxito de implementar RDR dependerá de nuestra capacidad para evaluar el estado hídrico de las plantas, ya que el estrés debe mantenerse en un nivel que no genere pérdidas excesivas en la producción.

Métodos basados en el balance hídrico no se relacionan directamen-te con el estrés hídrico. Esto, debido a que las plantas tienen la capacidad de desarrollar estrategias para tole-rar o evitar el estrés, por lo que estas técnicas por sí solas no proporcionan la información necesaria para imple-mentar RDR. Por esta razón, se han hecho esfuerzos por desarrollar siste-

Sensor para determinar el potencial hídrico del suelo basado en la resistencia eléctrica de una matriz granular.

Sensor de capacitancia para determinar el contenido volumétrico de agua basado en mediciones de la constante dieléctrica (Fotografía Decagon devices).

Estación de Surface Renewal para el monitoreo de evapotranspiración en vid"

mas que permitan medir alguna res-puesta fisiológica de la planta al estrés.

En la práctica, el éxito del RDR también dependerá de si los agriculto-res pueden disponer de información sobre el estado hídrico de las plantas en forma oportuna. Actualmente, el estándar para medirlo es la cámara de presión (foto 3b). Sin embargo, esta tecnología no ha sido ampliamente adoptada por los agricultores debido a que sus mediciones requieren de considerable tiempo y trabajo.

Dendrómetros (foto 3c), psicró-metros, porómetros de hoja y senso-res de temperatura infrarrojos son tecnologías que pueden ser usadas para medir en parámetros fisioló-gicos, como la fluctuación diurna del diámetro del tronco (o la hoja), la presión de vapor de una pequeña cámara que se encuentra en equili-brio con el medio líquido al interior

de la hoja, o la resistencia estomática. La apertura estomática tiene

además el efecto de enfriar la hoja por medio de la transpiración. Se ha observado que cuando existe estrés hídrico, los estomas se cierran, la transpiración cesa y la temperatura de la hoja tiende a equilibrarse con la temperatura del aire. Sin embargo, la temperatura de la hoja también depende de otras variables micro-climáticas, como humedad, tempe-ratura del aire, velocidad del viento y radiación solar. La contribución de estas variables también ha sido estudiada y sistemas compuestos por múltiples sensores han sido desarro-llados para estimar el estado hídrico de las plantas (foto 3a).

TECNOLOGÍAS INALÁMBRICASLos sensores proximales –que

permiten el monitoreo continuo del

estado hídrico de las plantas, hume-dad de suelo o evapotranspiración del cultivo- se han visto enorme-mente beneficiados por el desarrollo de las tecnologías inalámbricas, que permiten el acceso a la información en tiempo real. Estos sistemas pue-den estar conectados a redes locales, usando nodos inalámbricos de bajo costo y corto alcance, para establecer redes de comunicación, siendo las más comunes las de tipo mesh, en que varios nodos hablan entre ellos para aumentar el rango de alcance, o star, en el cual todos los nodos hablan con un nodo central para adquirir datos en una zona específica (Ver figura 1).

Usualmente, este tipo de redes tienen la capacidad de enviar la información a la web por medio de un computador con conexión a internet o de un módem con servicio habilitado para usar redes de celular.

Una ventaja de estos sistemas es que permiten conectar a varios sensores o válvulas a una misma red.

De manera alternativa, cada sen-sor/válvula puede estar conectado directamente a una red de celular y enviar la información a la web sin la necesidad de estar conectado a una red local mesh o star. Esta opción puede ser una buena alternativa, puesto que es sencilla de instalar y mantener, pero puede ser más cara dependiendo de la cantidad de dis-positivos que se quieran conectar y la distancia a la que se encuentren.

En Chile, el acceso a internet en

z o n a s rurales aún es limi-

tado. Habitualmente, las redes de celulares poseen mejor cobertura. Sin embargo, hay zonas rurales en donde éstas tampoco llegan, pero en esos casos, aún es posible establecer redes locales para disponer de los datos offline u optar por comunica-ción satelital. Usando tecnologías inalámbricas, los agricultores pue-den usar la información de sensores o estaciones de monitoreo para pro-gramar el riego, sin la necesidad de realizar labores intensas en terreno.

En cuanto al manejo de riego a distancia, una tecnología disponible son las válvulas solenoides de tipo latching (no requieren estar energi-zadas para mantenerse abiertas), las

cuales son controladas mediante una corriente eléctrica que pasa a través de un solenoide, cuya polaridad determinará si la válvula se cierra o abre. Un ejemplo de una válvula sole-noide de tipo latching integrada en una red mesh se puede ver en la foto 4.

Esta tecnología tiene varias ven-tajas: no es necesario ir a terreno para operarla; facilita un mejor registro del agua ocupada, ya que la información sobre cuánto tiempo las válvulas estu-vieron abiertas puede almacenarse en un computador o en la web (esto se puede complementar con la informa-ción de caudalímetros y/o sensores de presión); y permite la automatización del riego, debido a que un computador puede abrir y cerrar las válvulas a una hora determinada.

Finalmente, es importante des-tacar que es posible encontrar siner-gias entre las tecnologías descritas en este artículo, las cuales pueden ser aprovechadas para desarrollar herramientas robustas que apunten a manejos eficientes en el uso del agua, como lo son el riego de preci-sión o el RDR.

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Diagrama de redes star y mesh. En el ejemplo, el nodo rojo se comunica con internet. (Faludi, 2011).

Figura 1

52 FEB 2017

(A) Sistema “Leaf Monitor” para medir temperatura de hoja y variables microclimáticas; (B) cámara de presión, y (C) dendrómetro.

A

4

B

C

Muestra un nodo inalámbrico que permite la apertura de válvulas solenoides de tipo “latching”usando internet.

Ejemplo de una válvula solenoide de tipo latching integrada en una red mesh.