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FITOMONITOREO EN LA PROGRAMACION DEL RIEGO Stalin Granda*

2. ANTECEDENTES

Desde hace algunos años, la agricultura ha empezado a incorporar en la toma de decisiones el recurso de la información en todos los niveles de la producción y gestión agrícola. Es así que muchas de las estrategias agronómicas que antiguamente eran tomadas basadas en la experiencia o la intuición, son hoy generadas estableciendo cuantitativamente el comportamiento fisiológico de las plantas. Sin embargo, no se trata solo de generar la información conducente a la aplicación de un acertado manejo, sino que es necesario crear sistemas capaces de recolectar, almacenar y gestionar dicha información.

Muchas veces tenemos la planta bloqueada y no sabemos a ciencia cierta por qué. Pensamos que puede ser por un mal abonado, un mal manejo del agua, por una tierra escasa de elementos nutritivos, por una mala ventilación, etc. En un cultivo intensivo bajo plástico, nos plantearíamos si el material de cubierta es correcto, si se esta abriendo bien las ventanas, si las pantallas se están utilizando correctamente, etc.

Pues bien, existe un sistema que realiza una especie de "electrocardiograma a la planta" que indica el funcionamiento de esta en cada momento, con lo que los problemas anteriores los podemos solventar en cuestión horas e incluso minutos.

Este sistema se conoce como Fitomonitoreo o Phytomonitoring (en ingles), con el se puede controlar todos los parámetros de funcionamiento de la planta, utilizando ciertos instrumentos, conocidos como sensores de "crecimiento y desarrollo"; así también se pueden monitorear los factores climáticos que inciden sobre la mayoría de los cultivos, a través de otros sensores que se conocen como de “parámetros medioambientales”. Todos estos datos se reciben en un ordenador, que puede estar en cualquier parte del mundo.

En los últimos 10 años, el monitoreo de plantas en intervalos discretos de tiempo, ha sido una herramienta valiosa para el manejo agronómico de huertos frutales, viñas y especies vegetales.

La Dendrometría (el registro periódico de las fluctuaciones del diámetro del tronco), es la aplicación más común del fitomonitoreo a escala comercial (Dynamax, 1998; Agricultural Electronics Corporation, 2000) y es utilizada para evaluar el efecto de diferentes estrategias de manejo agronómico, especialmente del riego sobre la actividad fisiológica de las plantas. * Ingeniero Agrícola. Profesor principal de la cátedra de Riego y Drenaje de la Carrera de Ingeniería en Ciencias Agropecuarias. Escuela Politécnica del Ejercito. Santo Domingo-Ecuador

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3. EL FITOMONITOREO

El fitomonotoreo es una técnica basada en la microelectrónica y la informática, que permite conocer en tiempo real el estado hídrico de la planta de una forma no destructiva, a través del registro de las respuestas anatómicas y fisiológicas de diversos órganos de la planta, frente a las condiciones medioambientales y de manejo agronómico. Las técnicas de fitomonitoreo se están usando actualmente en diferentes países del mundo en plantaciones comerciales de cultivos hortícolas, de flores y de árboles frutales tanto con fines de programación del riego, así como una herramienta eficiente para implementar condiciones de riego deficitario controlado (RDC), orientado a la obtención de una determinada calidad de los frutos. El RDC requiere de técnicas para determinar la condición hídrica de la planta, así como de un criterio espacio - temporal en la aplicación del nivel hídrico deficitario. El fitomonitoreo es una tecnología agrícola que también se concentra en el control de las plantas. Pero a diferencia del abordaje de la “planta hablante” su principal objetivo no consiste en medir el desempeño del cultivo, sino en detectar y evaluar las condiciones de estrés en el mismo. Como opción acompañante, la técnica de fitomonitoreo, proporciona una interpretación fisiológicamente valiosa de los datos medidos en relación con la planta Ahora por medio de sistemas podemos detectar cualquier fallo en la planta en cuestión de minutos y con ello corregir el riego, aplicar fertilizantes, ventilar el invernadero, etc. Colocando una serie de sensores en la planta y en los alrededores de esta, podemos calcular factores fisiológicos intrínsecos de la planta, como velocidad de crecimiento del tallo, crecimiento del fruto, velocidad de circulación de la savia, etc., y factores medioambientales en los alrededores de la planta, como temperatura del haz y del envés de la hoja, temperatura del sustrato o del suelo, humedad relativa, etc. Todos estos datos se reciben en un ordenador, que puede estar en cualquier parte del mundo, y se comparan con unos datos tipo. Es decir, en el ordenador de nuestra misma casa, se puede conocer perfectamente la evolución de la planta, y tomar los correctivos necesarios según veamos el ritmo de crecimiento y desarrollo de la planta.

3.1. Ventajas del Fitomonitoreo

La tecnología de fitomonitoreo permite registrar directamente y en forma continua las respuestas de la planta a las condiciones del micro - ambiente (crecimiento del diámetro de tronco, de tallo y de fruto, la velocidad de flujo savial y la temperatura foliar), además de mediciones del ambiente (temperatura y humedad relativa del aire, radiación solar, velocidad del viento y contenido de agua del suelo), usando diferentes tipos de sensores.

La tecnología de fitomonitoreo combina:

a. Un sistema de registro de datos, basado en sensores de alta precisión. b. Almacenamiento digital de la información obtenida por los sensores y

sistemas de transmisión de esta desde el campo hasta un equipo de

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computación, vía telefonía celular, radio de alta frecuencia o enlaces físicos convencionales y

c. Programas de computación sofisticados

La estrategia de riego (frecuencia y lámina de agua aplicada) basada en la información del crecimiento en el diámetro del tronco, los brotes y el fruto; así como en el diferencial térmico entre las hojas y el aire circundante, la tensión del agua en la hoja, el movimiento relativo de apertura y cierre estomático, la intensidad del proceso fotosintético y otras mediciones en tiempo real es una de las tecnologías mas dinámicas que se han introducido en los últimos años en la industria frutícola y vitivinícola (Jackson and Chetry, 1 988; Wanjura, Hatfield and Upchurch, 1990). Desde 1992, la tecnología de fitomonitoreo se ha utilizado en una amplia variedad de cultivos agrícolas, producidos en condiciones de invernaderos o en campo abierto, con información relevante y validada para tomate, pimentón, flores y ornamentales, melones, algodón y uva de mesa (Dokoozlian, 1990; Greenspan, M. 1994; Gurovich el al, 1994).

Los resultados disponibles indican que esta nueva tecnología es una herramienta

versátil y de gran utilidad para evaluar el riego deficitario controlado, esquemas de ahorro de agua y de energía, así como para optimizar el rendimiento y la calidad de la fruta de especies frutales y hortalizas.

En comparación con los métodos tradicionales usados para evaluar cuantitativa-

mente las condiciones de estrés del sistema suelo-agua-planta-atmósfera (como por ejemplo, tensiómetros, atmómetros, psicrómetros, bombas de presión o temperatura infrarroja diferencial), el fitomonitoreo permite mantener a las plantas dentro de un margen mas bien estrecho de condiciones externas alrededor de un valor óptimo, determinado dinámicamente en las investigaciones de terreno, para cada especie y cultivar.

3.2. Funciones Principales del Sistema de Fitomonitoreo

El Fitomonitoreo es un sistema de manejo de información para el crecimiento del cultivo, con tres funciones principales:

1. Reporte Estándar.- Genera un set de valores medidos y sus derivados, en la práctica del control diario.

2. Reporte de excepción (peligro).- Permite la detección temprana de desordenes en las plantas. Esta función está basada en indicadores fitomonitoreados de plantas fisiológicamente desordenadas.

3. Sistema decisión – soporte.- Permite la persepción fina del clima y regímenes de riego por acercamiento de prueba y error. La sensibilidad extremadamente alta y el tiempo de reacción corto de los canales fitomonitoreados eliminan el riesgo del daño de la cosecha. Un cultivador puede realizar un pequeño cambio en un régimen del control consiguiendo una respuesta perceptible de las plantas en el plazo de 1-2 días. Los indicadores dinámicos fitomonitoreados en mejora o deterioro de la planta son cualidades necesarias del sistema decisión - soporte.

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4. COMPONENTES DEL SISTEMA

El sistema de Fitomonitoreo está compuesto por sensores remotos que se adjuntan directamente a la planta.

♦ Cada sensor cuenta con su propio recolector de datos. ♦ El sistema cuenta con un concentrador de datos que recolecta los datos de hasta 64

sensores remotos.

El sistema ofrece tres canales opcionales de comunicación entre el concentrador de datos y el PC:

♦ Por cable (RS 232) ♦ Por MODEM GSM ♦ Por servidor WEB

El sistema cuenta con un programa de software de adquisición de datos y para el análisis gráfico.

Figura 1. Monitoreo y envío de la información de campo a una central de datos.

4.1. Recolector de Datos

Permite la recolección remota de datos de los sensores en el campo y la posterior descarga de los datos recolectados al PC. Distancia hasta el sensor remoto: hasta 300m Requerimiento de energía: 12 VCD Incluye un conector para el enchufe del encendedor en un automóvil.

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Figura 2. Recolector de datos

4.2 Software para Adquisición de Datos y Análisis Gráfico

Para Windows 98SE/ME/2000/XP Permite la generación de gráficas tanto en función del tiempo como dispersas para el análisis del estado de la planta, el crecimiento y la interacción entre la planta y el ambiente. (Figura 3)

Figura 3. Información de fitomonitoreo para limones. Chile, 2001 5. SENSORES EMPLEADOS EN FITOMONITOREO

5.1. Sensores de Crecimiento y Desarrollo de la Planta

En el envés de las hojas, existen unas aperturas que se conocen como estomas. Están constituidas por dos células, que tienen la peculiaridad de abrirse o cerrarse. Si están abiertas se produce transpiración e intercambio de dióxido de carbono por parte de la planta, es decir está funcionando y produciendo, ya que está absorbiendo vía radicular, diversos elementos nutritivos, y está realizando fotosíntesis. Si los estomas están cerrados, la planta no está produciendo. El funcionamiento de los estomas, tiene mucha relación con un término que se conoce como déficit de presión de vapor (VPD), que determina la tasa de pérdida de agua de la planta, es decir el poder desecante del aire.

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El déficit de presión de vapor aumenta hasta las horas centrales del día y luego va disminuyendo. Lógicamente, cuanto mayor sea la radiación, la temperatura y la velocidad del viento mayor déficit de presión de vapor habrá, y cuanto mayor es la humedad medioambiental, menor será el déficit de presión de vapor. Cuando aumenta el déficit de presión de vapor, se cierran los estomas y la planta no produce, disminuyendo el diámetro del tallo y del fruto. Para controlar todos estos parámetros, se colocan una serie de sensores en la planta. Se ha comentado que cuando los estomas están abiertos, la planta está produciendo. Al abrirse esta especie de puerta que son los estomas, se produce transpiración por parte de la planta, por lo que la temperatura en el envés de la hoja baja. Una vez conocido todo el proceso, si colocamos un sensor de temperatura de la hoja, el cual lleva un semiconductor en el envés y lo sujetamos con una pinza especial de fijación a la hoja, permite medir temperaturas absolutas. En el momento en que la temperatura de la hoja es superior a la del ambiente, los estomas estarán cerrados, luego la planta no está funcionando y no hay producción, sucede lo contrario, en el momento en que la temperatura en el envés de la hoja es inferior a la del ambiente, la planta estará produciendo.

Figura 4. Sensores de crecimiento de la planta

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5.1.1. Sensor de variación del diámetro del cargador (SD - 5).

Este sensor está diseñado para registrar variaciones relativas en el diámetro de tallos o pecíolos; incluye un transductor inductivo provisto con una pinza para fijarse en la planta. Es conveniente que el sensor SD - 5 se instale en los primeros 20 cm de la base del cargador leñoso de un árbol de un año de edad, en el sector medio del dosel.

Figura 5. Vista general del Sensor de diámetro de tallo SD-5

5.1.2. Sensor de variación del diámetro del tronco (SD - 6).

Este sensor permite registrar las variaciones en el diámetro de tronco en un rango de micrones; estas variaciones permiten obtener dos tipos de información relevante: la amplitud de la contracción diaria y la tendencia de los valores máximos diarios. Usualmente, el ciclo de la transpiración diaria produce una reducción temporal del contenido de agua en las plantas, que se manifiesta en una reducción proporcional del diámetro del tronco; en el caso de desarrollarse un déficit hídrico, la amplitud de la contracción aumenta. Si el déficit es de mayor intensidad, puede ocurrir que la planta no recupere sus reservas hídricas durante la noche, resultando en un descenso de la tendencia del diámetro máximo de días consecutivos. El sensor SD - 6, generalmente se instala en el tronco de cada planta, a una altura de 1 m desde el suelo.

5.2. Sensor de Incremento del Tamaño del Fruto

El sensor de incremento del tamaño del fruto, está diseñado para medir incrementos micrométricos en el tamaño del fruto, mediante su diseño especial en forma de pinza. Estos sensores se colocan en frutos en activo crecimiento. En el momento en que el fruto ha terminado su crecimiento, se colocará el sensor en otro fruto. Existen diversos modelos de este sensor en función del tamaño del fruto que queramos medir.

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Figura 6. Sensor de medida del tamaño del fruto

El sensor comprende la utilización de un transductor inductivo diferencial provisto de una pinza que rodea a la fruta bajo medición (Figura 7).

Figura 7. Vista general de un sensor de diámetro de fruto tipo FI- 3

5.3. Sensores de Flujo de Savia

El sensor de flujo de savia está diseñado para la medición de savia en órganos axiales de la planta, con una extrema sensibilidad. Es un prodigio de la microingeniería y mide la intensidad de savia que circula y la dirección, a través de la diferencia de temperatura que existe entre los extremos del sensor. Este sensor monitorea las variaciones en la tasa de flujo savial en los órganos axiales de una planta, por medio de la medición de la velocidad de un pulso de calor producido por un elemento de calentamiento (termocupla), con una disposición simétrica de los elementos termo-sensitivos. El sensor se instala en la base del cargador de la temporada, y se cubre con doble capa de papel de aluminio, para evitar un calentamiento externo.

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Como resultado del flujo xilemático, la temperatura aumenta en la dirección del flujo y disminuye en la dirección opuesta y la señal de salida del sensor sigue el gradiente de temperatura.

Figura 8. Sensor de flujo de savia de la planta

El sensor está fabricado en base a un cilindro aislado térmicamente con una cavidad longitudinal donde se aloja la porción de tallo a medir. En esta cavidad se encuentra un elemento calentador y un elemento termofilo que responde a la variación de temperatura mediante un cambio en la resistencia del material conductor, el cual es amplificado y usado como una señal analógica. Esta señal al ser integrada con el tiempo es interpretada como velocidad del flujo de savia.

Figura 9. Vista general de un sensor de flujo de savia para tallo tipo SF

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5.4. Sensores de temperatura de la hoja

Los sensores de temperatura de la hoja están diseñados para monitorear la temperatura absoluta de las hojas. Para una correcta medición en la temperatura de la hoja es necesario minimizar el efecto de la temperatura del aire sobre el sensor mediante una correcta aislamiento a la radiación solar directa y un máximo contacto entre el sensor y la superficie de la hoja. Posee un semiconductor con un punto de resistencia térmica, provisto de una pinza especial para fijarlo directamente a la hoja en estudio. En el fitomonitor se instala 2 sensores de temperatura en la tercera hoja bien formada de un brote de la temporada, ubicado en la sección media de los mismos cargadores donde se conectan los sensores de diámetro de tallo

Figura 10. Sensor de temperatura de la hoja

Los sensores del tipo LT corresponde a un semiconductor que responde a los cambios de temperatura mediante un cambio en la resistencia a la corriente o termosistor. El rango de medición de esta unidad es de 5 a 45°C con un error estimado en +0,2°C

Figura 11. Vista general de un sensor LT - 1

5.5. Sensores que Miden Parámetros Medioambientales

El éxito de estos sensores radica en que miden el microclima, que rodea las zonas en activo crecimiento de la planta. El sensor de espesor de capa límite, consiste en dos placas metálicas reflectoras de luz, una de las cuales tiene la cualidad de acumular calor. Este sensor nos indicará movimientos del aire, realizando medidas por diferencias de temperatura entre las placas.

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El sensor de temperatura y humedad, consiste en una unidad de aspiración forzosa, con sensores interiores de temperatura y humedad relativa del aire. Con la aspiración conseguimos que las medidas sean lo más exactas posibles. El sensor de irradiación total, está diseñado para medir la luz total, tanto en invernadero como en campo abierto, incluyendo un detector de temperaturas compensadas. El sensor de humedad del suelo o del sustrato, está compuesto por una serie de electrodos que miden conductividad eléctrica y permiten medir el tanto por ciento de humedad del suelo o del sustrato, por extracción de la humedad contenida en el volumen delimitado por los electrodos. Todos estos sensores miden diversos datos medioambientales, los cuales pueden ser enviados al ordenador.

Figura 12. Sensores ambientales empleados en fitomonitoreo

5.5.1. Sensor de radiación solar

El sensor de radiación solar está diseñado para monitorear la radiación total a campo abierto o en condición de invernadero. El sensor incluye un equipo detector de silicio compensado térmicamente con un cabezal sobre el sensor en sí. El sensor responde a un rango del espectro limitado de radiación el que es calibrado bajo las condiciones de luz natural y libre de obstrucciones. De este modo al ser instalado bajo invernadero o entre la canopia, las lecturas realizadas no son comparables con las de campo abierto o por estimaciones de estos datos. En condiciones de luz artificial o de zonas sombrías son necesarios

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la utilización de sensores especializados como son los sensores TIR-3, o de tubo solarimetros (piranómetros termosensibles) o PIR-1 Sensores de radiación fotosintética.

Figura 13. Vista general de un sensor de radiación solar TIR-3

Está diseñado para medir la radiación total en campo abierto; incluye un detector de temperatura compensado, calibrado contra un piranómetro LI-200 SA, bajo condiciones no obstructivas y naturales de luz solar; este sensor se instala a 0,6 m por sobre el dosel de las plantas y a 2.5 m sobre el nivel del suelo.

5.5.2. Sensor de temperatura y humedad relativa del aire

El medidor de temperatura y humedad relativa del aire está diseñado para monitorear estos parámetros en condiciones de invernadero. La unidad comprende un sistema de aspiración del aire, para poner en contacto a este con dos sensores de temperatura y sensores de humedad del aire en el interior del dispositivo.

Figura 14. ATH-2 Medidor de temperatura del aire y Humedad relativa del

aire. Las Flechas celestes muestran la dirección del aire.

En su interior hay un termómetro y un higrómetro de alta resolución; se instala a la altura del alambrado de la estructura del huerto, bajo el dosel (1.9 m sobre el nivel del suelo). Los rangos de lectura son de 5 a 50°C en el caso de la temperatura del aire y de 0 a 100% de humedad relativa.

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5.5.3. Sensor de humedad del suelo

Este sensor está diseñado para medir el contenido de agua volumétrico en el suelo basado en la variación de la impedancia, por determinación de la constante dieléctrica aparente. Debido a que la constante dieléctrica (CD) del agua (80) es significativamente mayor que la CD de los materiales componentes del suelo (3-4), o que la CD del aire (1), este parámetro depende primariamente de su contenido de agua. El fitomonitor usado en este estudio incluyó un sensor de contenido de agua del suelo, que se instaló a 40 cm. de profundidad y a 50 cm del tronco de una planta.

Figura 15. Medidor de humedad del suelo SMS - 1

5.4. PhytalK Sotware

PhytoGraph™ es una herramienta por generar mapas generales y " específicos para el análisis de crecimiento de la planta, desarrollo, y la interacción planta-medioambiental

Figura 16. Procesamiento de la información mediante el Programa PhyTalk

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6. BIBLIOGRAFIA

1. ORMAZABAL, A. 2002. Fitomonitoreo y Fertirriego. CivilTec, Ltda. Santiago de Chile, CHI. 50 pag.

2. E. GRATACOS1 y L. GUROVICH. 2003. Uso de la Técnica del Fitomonitor Como

Indicador del Estado Hídrico Del Kiwi y su Uso En Riego Programado. Revista Cien. Inv. Agr No. 30.. Facultad de Agronomía. Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, Santiago, Chile. Pág.: 113 - 137

3. PHYTECH. 2006. Wireless Plant Monitoring System. Catalogo del Fabricante,

Versheba, Israel. 22 pág. 4. M. Gallardo, R.B. Thompson and L.C. Valdez. 2004. Response of Stem Diameter to

Water Stress in Greenhouse-Grown Vegetable Crops. Universidad de Almeria. Dpto. De Producción Vegetal. IVth IS on Irrigation of Hort. Crops Ed. R.L. Snyder. Almeria, España. Pag: 253-260