Í NDICE 1. INTRODUCCIÓN OBJETIVOS REVISIÓN DE LITERATURA... 4

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1 T EMPERATURA DE C ANOPIA, CWSI Y R ENDIMIENTO EN G ENOTIPOS DE T RIGO. J.P.SANM ARTÍN Y E. ACEVEDO.LABORATORIO DE R ELACIÓN S UELO- A GUA-PLANTA. FAACULTAD DE C IENCIAS A GRONÓMICAS. UNIVERSIDAD DE C HILE. AÑO Í NDICE 1. INTRODUCCIÓN OBJETIVOS OBJETIVOS GENERALES OBJETIVOS ESPECÍFICOS REVISIÓN DE LITERATURA IMPORTANCIA DEL AGUA EN LAS PLANTAS Y LA PRODUCCIÓN EVAPOTRANSPIRACIÓN Evaporación Evapotranspiración Transpiración Fisiología de estomas BALANCE DE RADIACIÓN, BALANCE DE ENERGÍA Y TERMOMETRÍA INFRARROJA NECESIDADES DE REGADÍO Y FRECUENCIA DE RIEGO Capacidad de estanque del suelo Métodos de estimación de la evapotranspiración Otros métodos para determinar necesidades de riego ÍNDICE DE ESTRÉS HÍDRICO DEL CULTIVO Teoría Problemas asociados a la determinación del CWSI MATERIALES Y MÉTODO Ubicación del ensayo Clima Suelo Material Vegetal... 32

2 4.1.5 Diseño Manejo Riego Porómetro Termómetro Infrarrojo Psicrómetro ventilado Cálculo del CWSI Medición del rendimiento y sus componentes Análisis estadístico RESULTADOS Y DISCUSIÓN BALANCE HÍDRICO TEMPERATURA DE CANOPIA APERTURA ESTOMÁTICA INDICE DE ESTRÉS HÍDRICO DEL CULTIVO RENDIMIENTO CWSI Y BALANCE HÍDRICO CONCLUSIONES RESUMEN... ERROR!MARCADOR NO DEFINIDO. 8. BIBLIOGRAFÍA... 58

3 1. INTRODUCCIÓN Actualmente, el agua representa mundialmente, uno de los recursos de mayor importancia en la producción agrícola, dada su escasez relativa, su baja disponibilidad y calidad. Debido a esto, se han desarrollado diversas tecnologías tendientes a mejorar el uso de este recurso, sistemas de conducción y métodos de riego más eficientes, que permiten aumentar la superficie regada, mejorar rendimientos y ampliar la rentabilidad de los cultivos y el predio. La determinación de la frecuencia de riego es una actividad muy importante dentro de cualquier explotación agrícola que dispone de regadío, ya que permite que la planta se mantenga en óptimas condiciones hídricas durante todo el desarrollo del cultivo. Un cultivo con una buena dotación de agua, está transpirando a su tasa potencial, generando un efectivo enfriamiento de la planta, es decir, permitiendo que la canopia se mantenga relativamente más fría que el ambiente (Tanner, 1963). A medida que se pierde la humedad del suelo cercano a la zona radicular, la transpiración se reduce debido a un cierre parcial de los estomas, provocando una disminución en la fotosíntesis y en consecuencia una merma del rendimiento final (Díaz et al., 1983). Dada la problemática anteriormente expuesta, se ha buscado diversos métodos, para determinar el umbral de riego al cual la planta no se ve afectada. Estos incluyen el uso de tensiómetros, bloque de yeso, neutrómetro para conocimiento de contenido de humedad, y otros. Sin embargo, en suelos pedregosos, estos métodos presentan dificultad en su uso e instalación. Diversos estudios realizados en los años 80, determinaron que la temperatura de la planta, específicamente la temperatura de la hoja, es un buen parámetro para determinar el estado hídrico de la planta, y de esta manera, su necesidad de riego. Idso et.al (1981) y Jackson et al.. (1981) formularon el CWSI, o Crop Water Stress Index (índice de estrés hídrico del cultivo), el cual se basa, principalmente, en la asociación de el diferencial de

4 2 temperatura entre la hoja y el aire, incluyendo la variabilidad ambiental, debida al déficit de presión de vapor (dpv). Con el desarrollo de los termómetros infrarrojos portátiles la tarea de medir la temperatura de la canopia se ha hecho mucho más fácil, impulsando a su vez la utilización del CWSI. Por consiguiente, el CWSI determinado por la relación entre el diferencial térmico cultivo-ambiente y vpd, podría ser un importante y útil parámetro a considerar, a la hora de realizar la programación de riego de un cultivo, en suelos en que por su pedregosidad es complejo conocer su disponibilidad hídrica por otros métodos, hasta el momento, de difícil instalación.

5 3 2. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVOS GENERALES Los objetivos generales del estudio son los siguientes: Comparar la eficacia de CWSI como criterio para determinar frecuencia de riego, en relación a otros métodos, como el balance hídrico. Asociar el CWSI a parámetros fisiológicos como apertura estomática y temperatura de canopia. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Los objetivos específicos del estudio son los siguientes: Determinar Líneas Base del cultivo estresado y no estresado, en 30 genotipos de trigo. Determinar el CWSI en 30 genotipos de trigo. Asociar la temperatura de canopia y el CWSI, al rendimiento.

6 4 3. REVISIÓN DE LITERATURA 3.1 IMPORTANCIA DEL AGUA EN LAS PLANTAS Y LA PRODUCCIÓN Los vegetales se encuentran sometidos constantemente a agentes que pueden afectar la integridad de la planta, tales como los producidos por temperaturas anormales, condiciones físicas y químicas desfavorables en el suelo, y la presencia de elementos patógenos. Sin embargo, a largo plazo, el déficit hídrico reduce el crecimiento y la producción de los cultivos más que los otros déficit combinados, principalmente porque se involucra en todos los procesos físicos y químicos del organismo (Martin de Santa Olalla y De Juan, 1993). Aravena (1991), menciona algunas de las funciones vitales del agua, las cuales son: Constituyente del citoplasma, en el que junto a las proteínas, determina su estructura y grado de agregación. Disolvente de gases, iones y solutos, estableciendo un sistema continuo en toda la planta, dada la alta permeabilidad de las membranas celulares al agua. Participa directamente como metabolito en diversas reacciones, como procesos de óxido-reducción en fotosíntesis y respiración. Mantiene la turgencia celular y orgánica. Regula la temperatura de la planta a través del proceso de transpiración El estrés hídrico puede llegar a afectar negativamente al conjunto de las funciones fisiológicas de la planta, como fotosíntesis, respiración y reacciones metabólicas diversas, además de repercutir en variaciones anatómicas sobre el crecimiento, reproducción y desarrollo del fruto y la semilla. En términos agronómicos estos efectos se traducen en bajas de rendimiento cuantitativo y/o cualitativo, como es la modificación de la composición química de los productos agrícolas (Israelsen y Hansen, 1985).

7 5 Todo déficit hídrico produce una reducción de los rendimientos, sin embargo, todos los cultivos tienen períodos críticos en los cuales son más sensibles a los efectos de la sequía. Estos son estados fenológicos en donde el efecto detrimental de un estrés hídrico es mayor, debido a que son etapas con un activo crecimiento y división celular, las que generan en un breve período de tiempo, grandes cambios de tamaño en algún componente de producción de la planta. La utilidad de conocer el o los períodos críticos de un cultivo radica en que se puede administrar el recurso hídrico en períodos de escasez, asignando el agua de acuerdo al estado fenológico, de manera de minimizar los daños en la producción (Jara y Valenzuela, 1998). La capacidad de almacenamiento de agua en los tejidos de la mayoría de los cultivos es muy limitada, por lo que el equilibrio hídrico de la planta entre el ingreso y egreso de agua se debe mantener en forma constante. Para restaurar el desequilibrio que produce la pérdida de agua por transpiración, la planta absorbe agua desde el suelo. 3.2 EVAPOTRANSPIRACIÓN Evaporación La evaporación es la pérdida de agua de la superficie de un cuerpo hacia la atmósfera, a través de la vaporización del agua líquida. Este proceso ocurre si en la superficie existe una cantidad de agua disponible además de la energía necesaria para el cambio de estado físico, es decir, la evaporación se produce como resultado de una demanda atmosférica y un cierto contenido de humedad en el suelo (Aravena, 1991). En una superficie de suelo desnuda húmeda, la tasa de evaporación depende de factores meteorológicos y edafológicos. Cuando la tasa de evaporación es baja, ésta depende principalmente de factores meteorológicos, debido a que la conductividad hidráulica del suelo y el gradiente de potencial son suficientes para mantener la superficie

8 6 de suelo húmeda. En tanto, si la tasa de evaporación es elevada, dependerá principalmente de las características del suelo, ya que la velocidad de evaporación es mayor a la velocidad de ascenso capilar y difusión de vapor, por lo que la superficie del suelo se deseca (Martin de Santa Olalla y De Juan, 1993) Evapotranspiración Perrier (1984) define el concepto de evapotranspiración (ET) como: La pérdida total de agua de una cubierta vegetal bajo forma de vapor a través de la evaporación y transpiración durante un intervalo de tiempo dado. Según lo señalado, la evapotranspiración es la suma de los términos evaporación y transpiración. Ritchie (1972) demostró que el proceso de evapotranspiración está limitado principalmente por la demanda evaporativa de la atmósfera, por las características del suelo, por la cantidad de agua disponible y por el tipo de cubierta vegetal, es decir, está determinado por factores meteorológicos, biológicos y edafológicos, sin embargo el proceso no se puede atribuir a alguno de ellos en forma exclusiva. El medio local, las prácticas agrícolas y de regadío, las plagas y enfermedades, los fertilizantes y otros factores que afectan las tasas de crecimiento influyen también, de forma directa o indirecta, en la evapotranspiración (Doorenbos y Pruitt, 1976). Cuando el cultivo se encuentra en sus primeros estados de desarrollo, el componente principal de ET es la evaporación. A medida que el cultivo se va desarrollando, aumentando el área foliar y la cobertura, la transpiración comienza a tomar importancia, hasta representar el principal componente de ET, llegando a comprender el 90 a 95% de ésta, siendo mínimas las pérdidas por evaporación dado el alto porcentaje de cobertura (Ritchie, 1972).

9 Transpiración La transpiración es el proceso de evaporación del agua interna de los seres vivos. En las plantas, hay un continuo movimiento de agua que se absorbe desde el suelo al interior de las raíces, asciende por los tallos y es reestablecida a la atmósfera a través de la transpiración (Israelsen y Hansen, 1985). Del total de agua absorbida por las raíces, sólo una pequeña parte es retenida por la planta, en los procesos fisiológicos y como parte de las células, siendo transpirada la mayor parte, alcanzando incluso, en el caso de una planta de maíz hasta tres kilogramos de agua por día (Taiz y Zeiger, 1993). Este proceso se realiza principalmente por la superficie de las hojas, a través de pequeños poros oclusibles llamados estomas, mediante los cuales el vapor de agua escapa a la atmósfera por difusión, debido a una diferencia de potencial hídrico entre la hoja y la atmósfera. Generalmente, el potencial hídrico de la atmósfera es mucho menor que el de la hoja, y la intensidad del proceso depende del gradiente de presión de vapor (Sivori, 1986). La transpiración tiene además un rol muy importante en el balance energético de la planta, ya que la evaporación es un proceso refrigerante muy eficaz. Este se rige por la distribución de Maxwell-Boltzmann para las velocidades moleculares, la cual sostiene que las moléculas de agua que poseen velocidades elevadas se evaporan, y al abandonar la superficie del líquido, la velocidad promedio de las moléculas restantes se ve disminuida, es decir, el líquido se enfría. Para evaporar 1 kg de agua a 30 C se requiere 580 kcal, esta energía requerida se llama calor latente de vaporización (Salisbury y Ross, 1994). En el caso de las plantas, el agua es transpirada desde la superficie de las hojas, por lo que el calor latente evaporado es absorbido de la hoja, generando un efectivo enfriamiento de ésta con respecto a su ambiente (Jensen y Salisbury, 1988).

10 Fisiología de estomas Los estomas, según la condición hídrica de la planta y factores ambientales, se abren o cierran, permitiendo modificar o regular el intercambio gaseoso entre la planta y la atmósfera. Tales intercambios incluyen el dióxido de carbono (CO 2 ) empleado en la fotosíntesis, el vapor de agua y materiales volátiles orgánicos y no orgánicos. Aunque la transpiración estomática es la responsable de la mayor parte del agua transpirada, también existen otras vías de pérdida de menor importancia, como son las lenticelas y la cutícula (Jensen y Salisbury, 1988). En la mayor parte de las plantas los estomas se mantienen abiertos por lo menos una parte del día y se cierran durante la noche, siendo un mecanismo que reduce efectivamente la pérdida total de agua (Israelsen y Hansen, 1985). La apertura y cierre de estos poros es debida a cambios en la turgencia de las células oclusivas. La apertura es causada por el ingreso de iones potasio (K + ) hacia éstas, logrando un potencial osmótico más negativo dentro de la célula y el posterior ingreso de agua (Taiz y Zeiger, 1993). Salisbury y Ross (1994) describen los efectos de ambiente sobre los estomas: Luz : los estomas de la mayoría de las especies se abren al amanecer y se cierran en la oscuridad, esto es porque en presencia de luz, los estomas se mantienen abiertos y mantienen la concentración de CO 2 necesaria para la fotosíntesis.

11 9 CO 2 : el aumento de la concentración de dióxido de carbono por sobre los niveles normales que se encuentran en el aire provoca el cierre de los estomas, debido a que los estomas responden a niveles intercelulares de CO 2 y no a la concentración en la superficie de la hoja o en el poro estomático. Humedad relativa del aire : expresa la relación entre la humedad actual del aire y una atmósfera a saturación a la misma temperatura. A mayor temperatura, la atmósfera es capaz de retener mayor cantidad de vapor de agua, entonces, la humedad relativa disminuye. La transpiración es un proceso de difusión de vapor desde la cámara estomática a la atmósfera, debido a un gradiente. A menor humedad relativa mayor es el gradiente, por lo tanto, mayor es la velocidad de transpiración. Los estomas de muchas especies son muy sensibles a la humedad atmosférica, cerrándose cuando la diferencia entre el contenido de vapor del aire y de los espacios intercelulares supera un nivel crítico. Un gradiente pronunciado induce al cierre, pero con una periodicidad de apertura de 30 minutos, debido a que el CO 2 interno se agota, forzando la apertura. Temperatura : incrementos de temperatura entre cero y 30 C producen aumentos de la apertura estomática, disminución de la humedad relativa, y por consiguiente, aumento de la tasa transpiratoria. Esto es debido a que en la cavidad estomática disminuye la concentración de CO 2 porque se acelera el proceso de fotosíntesis, además se aumenta el gradiente de humedad al disminuir la humedad relativa del aire, por lo que se incrementa la velocidad de transpiración. Si la temperatura se eleva sobre los C, en la mayoría de los cultivos, los estomas se cierran debido a un incremento del CO 2 interno por inhibición de la fotosíntesis y altas tasas respiratorias. Velocidad del viento : el viento provoca generalmente un cierre parcial o total de los estomas, dependiendo de la intensidad, debido a que llega más CO 2 hasta los estomas, aumentando su difusión hacia el interior de la hoja. También puede incrementar la transpiración, provocando estrés hídrico y el cierre de estomas.

12 10 Contenido de humedad del suelo : la disminución del contenido de humedad del suelo repercute en la cantidad de agua disponible para la planta, afectando directamente la transpiración. Con contenidos de humedad cercanos a capacidad de campo, los estomas se mantendrán abiertos y la planta transpirará a su potencial. Mientras que cercano al punto de marchitez permanente los estomas se cierran y la transpiración se inhibirá, con el fin de evitar la pérdida de turgidez. A medida que el potencial hídrico de la hoja disminuye debido a baja disponibilidad de agua, los estomas se cierran. Este efecto es el más dominante de todos los factores, sobrepasando incluso niveles intracelulares bajos de CO 2 y la luz intensa, debido a su valor protector durante la sequía. Los niveles de absorción de agua desde el suelo y transpiración usualmente no son iguales en la planta. Cuando la transpiración es más lenta que la absorción, el exceso es almacenado en el tejido, sin embargo, la capacidad de almacenamiento de agua en las plantas es muy limitada, por lo que disminuye el gradiente de potencial entre la planta y el suelo, disminuyendo también la absorción. Por el contrario, cuando la transpiración es mayor que la absorción, el déficit es cubierto por el agua del tejido, originando una disminución del potencial hídrico de la hoja y el posterior cierre estomático (Hsiao, 1990) Cambios en el potencial hídrico de las hojas afectan directamente a la turgencia de las células de guardia, provocando el cierre parcial o total de los estomas en condiciones de déficit de presión de vapor alto y/o déficit hídrico (Jones, 1985). En presencia de déficit hídrico disminuye el potencial hídrico de las hojas, acumulándose ácido abscísico (ABA) en los tejidos antes que los estomas se cierren, lo que sugiere que el cierre de los estomas en respuesta al estrés hídrico en la hoja es mediado por ABA (Jensen y Salisbury, 1988). Davies et al. (1986) proponen que el cierre estomático mediado por ABA se produce cuando las hojas no están sometidas a estrés hídrico, pero existe una disminución del potencial hídrico del tejido radicular, es decir, cuando las raíces están siendo estresadas.

13 11 Zhang y Davies (1990) plantean que ABA proveniente del sistema radicular provocaría el cierre estomático en situaciones de déficit hídrico. Obtuvieron una estrecha relación entre el bajo contenido de humedad del suelo, reducción de la conductancia estomática y la concentración de ABA en el xilema, sin embargo, la disminución de la conductancia estomática no tuvo relación con la concentración de ABA en la hoja. 3.3 BALANCE DE RADIACIÓN, BALANCE DE ENERGÍA Y TERMOMETRÍA INFRARROJA La radiación solar es modificada al pasar a través de la atmósfera, siendo absorbida la mayor parte de la luz ultravioleta por la capa de ozono, y las bandas infrarrojas por las partículas de agua, dióxido de carbono y otras partículas en suspensión, por lo que sólo una parte del espectro de radiación llega a la superficie terrestre, la cual va de la radiación visible (luz) a la radiación infrarroja (térmica) (Salisbury y Ross, 1994). El balance de radiación de una superficie, mencionado por Huber et al. (1991), consta de diversos componentes, y está dado por: Rn = S (1 Φ) + L u L d donde: Rn : radiación neta de todas las longitudes de onda [W m -2 ] S : radiación global (radiación directa y difusa) [W m -2 ] Φ : coeficiente de reflexión de onda corta de la superficie L u : radiación de onda larga proveniente de la atmósfera [W m -2 ] L d : radiación de onda larga emitida por la superficie de la tierra [W m -2 ] Estos componentes tienen valores muy diferentes entre sí y su participación en el balance total también puede variar considerablemente, dependiendo de las condiciones

14 12 climáticas, características físicas del suelo y de la cubierta vegetal. El monto de radiación retenida por una superficie determina, entre otras cosas, la cantidad de energía disponible para el flujo de calor latente y sensible, explicando en parte los procesos físicos y biológicos que se producen en los ecosistemas (Baldocchi et al., 1981) De todo el espectro de radiación que recibe un cultivo, éste absorbe la mayor parte de la luz visible y el infrarrojo lejano (radiación térmica), y refleja el infrarrojo cercano. La planta, al igual que todos los cuerpos sobre el cero absoluto, emite radiación térmica, pero al recibir mayor cantidad de radiación que la que emite, debe disipar este exceso por convección y/o transpiración para mantener el balance de energía (Salisbury y Ross, 1994). Jackson et al. (1981) presenta el balance de energía para la canopia de un cultivo cualquiera, descrito por la siguiente ecuación: Rn = G + H + λe donde: Rn: radiación neta (W m 2 ) G: flujo de calor bajo la canopia (W m 2 ) H: flujo de calor sensible desde la canopia hacia el aire (W m 2 ) λe: flujo de calor latente (W m 2 ) Habitualmente, el balance energético diurno de cultivos y frutales está compuesto por la pérdida de energía a través de la transpiración (λe), convección (G y H) y radiación por parte de la hoja, y las ganancias dadas por la radiación procedente del sol y otros cuerpos cercanos (Jensen y Salisbury, 1988). La radiación emitida por la hoja se caracteriza por estar compuesta principalmente por la parte infrarroja del espectro, y su magnitud depende de la temperatura de la hoja.

15 13 Esto se expresa en la ley de Stefan-Boltzmann, la cual postula la cantidad de energía emitida por un cuerpo es función de la cuarta potencia de su temperatura absoluta: Q = e σ T 4 Donde: Q : cantidad de energía radiada (cal) e : emisividad σ : constante de Stefan-Boltzmann (cal cm -2 min -1 K -4 ) T : temperatura absoluta ( K) Es decir, cuando la temperatura de una hoja expuesta a la luz solar se eleva, la energía radiante que emite también se incrementa, pero en una mayor magnitud. Basados en la ley de Stefan-Boltzmann, se desarrollaron sensores capaces de determinar a distancia la temperatura de los cuerpos, midiendo la cantidad de radiación infrarroja proveniente de ellos (Tanner, 1963). El desarrollo de estos instrumentos de teledetección térmica llamados termómetros infrarrojos, permitió mejorar y fomentar el estudio de las relaciones temperatura foliarestrés hídrico, ya que otorga facilidad y rapidez en la determinación de la temperatura de la planta, además de ser una técnica no destructiva y que no afecta las condiciones del ambiente ni de la planta (Gurovich, 1989).

16 NECESIDADES DE REGADÍO Y FRECUENCIA DE RIEGO El principal objetivo del riego agrícola es evitar que se afecten los rendimientos debido al déficit hídrico, para lo que es necesario suministrar el agua en el momento oportuno y en la cantidad requerida por el cultivo, es decir, suplir las necesidades de riego. Teóricamente, se busca mantener una disponibilidad máxima de agua en el suelo, es decir, que la evapotranspiración real de los cultivos dada por la demanda atmosférica sea igual a la evapotranspiración máxima determinada por el clima y el estado fenológico de la planta, de manera de no afectar los rendimientos del cultivo. Sin embargo, existen restricciones físicas y económicas que limitan el tiempo de aplicación y la cantidad de agua aplicada (Gurovich, 1999). La programación de riego es una metodología que permite determinar el nivel óptimo de riego considerando las variables anteriormente expuestas, y consiste en establecer la frecuencia de riego (intervalo de tiempo entre un riego y otro) y la cantidad de agua a aplicar, de acuerdo a las condiciones edafoclimáticas en las que se encuentre el cultivo. Por lo tanto, para programar el riego es esencial estimar la cantidad de agua que puede almacenar el suelo explorado por las raíces del cultivo y la evapotranspiración (Israelsen y Hansen, 1985) Capacidad de estanque del suelo En los métodos de riego gravitacionales el suelo se utiliza como un estanque que almacena el agua aplicada en cada riego o proveniente de precipitaciones, por lo que la capacidad de estanque de un suelo se denomina humedad aprovechable (HA), y determina la cantidad de días que pueden transcurrir entre un riego y otro sin que se afecte el cultivo. Ortega y Acevedo (1999) mencionan que HA está definida por:

17 15 ( CC PMP) Da HA = * * Ps 100 Dw donde: HA: altura de agua aprovechable para el cultivo (mm) CC: contenido gravimétrico de agua en el suelo a capacidad de campo (%) PMP: contenido gravimétrico de agua en el suelo a punto de marchitez permanente (%) Da: densidad aparente del suelo (gr cm -3 ) Dw: densidad del agua (gr cm -3 ) Ps: profundidad del suelo (mm) Sin embargo, la planta no puede captar toda la humedad aprovechable del suelo sin que se afecte el rendimiento, ya que con contenidos cercanos a PMP no puede seguir absorbiendo agua desde el suelo. Por otra parte, el suelo tiene una capacidad máxima de retención de humedad (CC), por sobre la cual se produce drenaje libre en el perfil del suelo. Con el objetivo de no mermar los rendimientos, se establece un umbral de riego (Ur), con el fin de aplicar el riego antes de que se afecte la producción del cultivo. En general se utiliza un límite conservador de un 50% de la HA, pero depende de la respuesta productiva del cultivo frente al déficit hídrico (Ortega y Acevedo, 1999). Cada cultivo y etapa fenológica tiene distintas necesidades en cuanto a la tensión de humedad del suelo máxima o distanciamiento entre dos riegos. La mayoría de las hortalizas y especies de las que se extraen productos frescos requieren niveles altos y constantes de humedad en el suelo durante todas las fases del desarrollo, de lo contrario se afecta su calidad y/o rendimiento, siendo muy sensibles al déficit hídrico (ej; Papa: Solanum tuberosum L.). En algunas especies frutales, como manzanos, durazneros, ciruelos y olivos; en el tabaco, la caña de azúcar y en semilleros de alfalfa, el déficit hídrico en ciertas etapas favorece la calidad del producto cosechado. Sin embargo, en la mayoría de los cultivos no hay efectos sobre la calidad y el rendimiento mientras la humedad del

18 16 suelo se mantenga por sobre el 50% de HA, por lo que este límite establecido es suficiente para suplir los requerimientos hídricos, incluso en los períodos críticos específicos de cada cultivo (Doorenbos y Pruitt, 1976), (Gardner et al., 1992b).. Entonces, lámina neta (Ln), es la altura de agua que debe utilizar la planta para no afectar su rendimiento, y está definida por: Ln = HA * (Ur /100) donde: Ln: lámina neta (mm) Ur: umbral de riego (%) La frecuencia de riego permite establecer el número de días transcurridos entre dos riegos consecutivos, y se puede estimar de la siguiente forma: FR = Ln Et R donde: FR: frecuencia de riego (días) ET R : evapotranspiración real o de cultivo (mm día -1 ) La ET R determina la cantidad de agua consumida por el cultivo entre dos riegos consecutivos. Debido a que ET R depende de muchos factores asociados al clima, suelo, características de la planta, manejo agronómico, etc., se introdujo un valor de referencia (ET O ) definido como la tasa de evapotranspiración de una superficie extensa de gramíneas verdes de 8 a 15 cm de altura, uniforme, de crecimiento activo, que asombran totalmente al suelo y que no escasean de agua, con el fin de poder estimar ET R a través del ajuste de

19 17 ET O por un coeficiente de cultivo (Kc), el cual introduce las características propias de cada cultivo según su fase de desarrollo y las condiciones climáticas predominantes (Doorenbos y Pruitt, 1976). Por lo tanto, ET R se puede expresar como: ET R = ET O * Kc donde: ET O : evapotranspiración de referencia (mm día -1 ) Kc : coeficiente de cultivo El valor de Kc, representa la evapotranspiración de un cultivo determinado, en condiciones óptimas y que produzca rendimientos óptimos, y tiene como fin tener en cuenta los efectos de las características del cultivo sobre sus necesidades de agua. Para escoger el Kc apropiado, se debe tener en cuenta las características del cultivo, fecha de siembra o plantación, fase de desarrollo, vientos, humedad y temperatura Métodos de estimación de la evapotranspiración Para estimar la evapotranspiración existen varios métodos con diferentes grados de complejidad, los que se calculan a partir de variables climáticas, debido a la dificultad de obtener mediciones directas y exactas en condiciones reales. Entre los más utilizados y simples se encuentra el método de Blaney-Criddle, el que requiere como datos de ingreso la temperatura media y el porcentaje de horas diurnas para el cálculo de un factor de uso consuntivo (f), el que luego es afectado por un coeficiente de cultivo (k). Debido a que las necesidades de agua varían en climas con temperatura de aire similares (por ejemplo, entre climas secos y húmedos; o entre zonas con vientos muy fuertes y con vientos leves) los efectos del clima sobre las necesidades de agua no quedan

20 18 totalmente definidas con la temperatura media y la proporción de horas diurnas. Para subsanar en parte este inconveniente, f debe ser calculado para un gran número de situaciones y climas diferentes, que incorporan los efectos de la humedad, radiación y viento (Doorenbos y Pruitt, 1976). Otro de los métodos empleados para el cálculo de la evapotranspiración es el método de la radiación, que requiere como datos de ingreso la radiación solar y un índice de ponderación que depende de la temperatura y la altitud. Los resultados obtenidos mediante este método son por lo general más fiables que los de Blaney-Criddle, debido a que se considera la energía que ingresa al sistema por radiación. No obstante, en este método no se consideran las condiciones específicas de viento y humedad, tomándose en consideración sólo los niveles generales de estas variables climáticas (Doorenbos y Pruitt, 1976). El método de Penman-Monteith se destaca por tener una mayor transparencia en cuanto a los fenómenos físicos involucrados, al contener explícitamente dos términos que aportan claridad en este aspecto: el balance de radiación (radiación neta) y balance aerodinámico (viento y humedad), por lo que este método requiere los parámetros temperatura, humedad, velocidad del viento y radiación. La modificación del método de Penman realizada por Monteith introduce el concepto de resistencia aerodinámica, para reemplazar la función empírica en la ecuación de Penman, permitiendo definir condiciones más aproximadas al régimen aerodinámico de los cultivos (Doorenbos y Pruitt, 1976). El método del evaporímetro de bandeja permite medir los efectos integrados de la radiación, el viento, la temperatura y la humedad sobre la evapotranspiración en función de la evaporación de una superficie de agua libre, ya que la planta responde a las mismas variables climáticas, aunque existen factores importantes que pueden introducir cambios significativos en la pérdida de agua. Sin embargo con una buena colocación, mantención y la normalización del medio que circunda la cubeta, es un buen indicador de las necesidades de los cultivos. A fin de relacionar la evaporación de la cubeta con ET O, se establecen

21 19 coeficientes de cubeta (Kp) obtenidos empíricamente, los que incluyen el clima, el tipo de cubeta y el medio circundante (Doorenbos y Pruitt, 1976) Otros métodos para determinar necesidades de riego Existen otros métodos a través de los cuales se puede determinar las necesidades de riego de un cultivo, como es la determinación directa o indirecta del contenido de humedad del suelo. A través de este dato puede calcularse los aportes del riego, y la frecuencia se determina cada vez que la lectura de humedad de suelo alcance cierto nivel establecido. El método gravimétrico permite conocer directamente el contenido hídrico de un suelo. Consiste en tomar muestras de suelo y pesarlas de inmediato para obtener el peso fresco (suelo+agua), y posteriormente secarlas en estufa por 48 horas a 105ºC con el fin de llevarlas a peso constante. La diferencia entre el peso fresco y seco entrega el contenido de agua que poseía la muestra. A pesar de ser sencillo y directo, este método presenta ciertas dificultades, ya que es muy difícil de realizar en terrenos pedregosos, no es de inmediata determinación, y se hace engorroso realizarlo cada vez que quiera determinar el momento de riego. Además no se puede realizar en suelos con un alto contenido de materia orgánica. (Martin de Santa Olalla y De Juan, 1993). Actualmente se utilizan métodos indirectos para la determinación de humedad en el suelo, los cuales miden alguna propiedad relacionada al contenido hídrico y quedan permanentemente instalados en el terreno, con el fin de tomar medidas repetidas en el mismo punto. La mayoría de ellos requiere establecer curvas de calibración previas a la medición. La sonda de neutrones es utilizada en la actualidad ya que permite la determinación de la humedad en forma cómoda, rápida y precisa. Se basa en el principio de que los átomos de hidrógeno del agua son capaces de desacelerar y dispersar los neutrones rápidos

22 20 emitidos por la sonda, siendo los neutrones lentos captados por un sensor y registrados en el medidor portátil. Este método presenta algunos inconvenientes, como la inaplicabilidad del método para suelos orgánicos, ya que los átomos de hidrógeno de la materia orgánica se confunden con los del agua, entregando una lectura sobreestimada. Otras desventajas para su uso son el alto costo del equipo, las precauciones que hay que tener para su uso por llevar material radioactivo, y los elevados costos de mantenimiento. La técnica de reflectometría en el tiempo es un método que mide la constante dieléctrica del suelo, a través del tiempo de recorrido de un impulso electromagnético entre dos varillas de acero. El tiempo de recorrido es proporcional a la constante dielétrica del suelo y sólo varía con el contenido de agua en el suelo. Este método no requiere de instalación de elementos permanentes en el suelo y es muy preciso. Los tensiómetros son utilizados para medir el potencial matricial del suelo, y constan de una cápsula de cerámica porosa permeable a los solutos y al agua, conectada a un manómetro por un tubo lleno de agua. El suelo ejerce una tensión sobre el agua de la columna, la cual pasa al suelo, provocando una presión negativa en el tubo, la cual es medida por el manómetro. Se caracteriza por ser relativamente económicos y muy rápidos para la medida de potenciales matriciales in situ, sin embargo, altera en parte el suelo que está en contacto con la cápsula, por lo que de su instalación depende la exactitud de las lecturas, lo que lo hace algo complicado de situar. Además, es difícil de utilizar en suelos pedregosos. Los bloques de resistencia eléctrica se utilizan para conocer el potencial del agua en el suelo, ya que se instalan bloques de yeso u otro material poroso en el suelo, los cuales igualan su contenido de agua con el del suelo, siendo la resistencia eléctrica del bloque función del agua contenida en él. Presentan ciertos inconvenientes como su difícil calibración, su inaplicabilidad en suelos salinos y en suelos húmedos.

23 ÍNDICE DE ESTRÉS HÍDRICO DEL CULTIVO La temperatura de la cubierta vegetal, y particularmente la temperatura de las hojas, ha sido acreditada ampliamente como un indicador de la respuesta de la planta a factores ambientales adversos. La escasez de agua en el suelo, causa que las plantas transpiren a una tasa menor que la demanda evaporativa de la atmósfera, lo que genera un calentamiento de la hoja, debido a que disminuye el efecto refrigerante de la transpiración (Kramer, 1974). Las primeras aproximaciones para determinar un indicador del estado hídrico de la planta a partir de la temperatura de la canopia, resultaron tener una gran cantidad de factores ambientales y de la planta involucrados, de forma que se hacía muy difícil su interpretación y aplicación en terreno (Gardner et al., 1992a). Con el fin de solucionar este problema, muchos investigadores plantearon diferentes modelos, para poder utilizar la temperatura de canopia con fines prácticos, como la programación de riego (Idso, 1982). Idso et al. (1977) desarrollaron el modelo más simple, llamado stress-degree-day, el cual relaciona la temperatura de la canopia medida por un termómetro infrarrojo (T c ), con la temperatura del aire (T a ), de manera de que si T c -T a ( T) es negativo, las plantas están bien dotadas de agua, y si T es positivo, existe un estrés hídrico. Sin embargo, este modelo no considera factores ambientales diferentes que T A, como presión de vapor del aire, radiación neta o velocidad del viento, lo que lo inhabilita en condiciones ambientales diferentes a las medidas por los investigadores (Idso et al., 1981). Ehler (1973), ya había demostrado experimentalmente en plantas de algodón que T es altamente dependiente del déficit de presión de vapor. Dados los precedentes, Jackson et al. (1981) desarrollaron el índice de estrés hídrico del cultivo, o crop water stress index (CWSI).

24 Teoría La literatura hace mención a dos formas de obtener el CWSI, una aproximación analítica propuesta por Jackson et al. (1981) y una empírica descrita por ldso et al. (198l). Jackson et al. (1981) basa su método en el balance de energía para la canopia de un cultivo cualquiera, en el cual la planta absorbe energía de la radiación solar y ambiental, y la pierde para mantener el balance a través de la radiación, convección (G y H) y la evapotranspiración (λe). Se define radiación neta (Rn) como la diferencia entre la radiación absorbida por un objeto y la que emite. El balance de energía es descrito por la siguiente ecuación: Rn = G + H + λe (1) donde: Rn: radiación neta (W m 2 ) G: flujo de calor bajo la canopia (W m 2 ) H: flujo de calor sensible desde la canopia hacia el aire (W m 2 ) λe: flujo de calor latente (W m 2 ) En forma simple se puede escribir: H ρ Cρ = ra ( Tc Ta) (2) ρ Cρ ( e * c ea ) λ E = (3) γ ( rc + ra) donde: ρ : densidad del aire (kg m -3 )

25 23 Cp : capacidad calórica del aire (J kg 1 C 1 ) Tc : temperatura de la canopia ( C) Ta : temperatura del aire ( C) e * c : presión de vapor a saturación a Tc (Pa) e a : presión de vapor del aire (Pa) γ : contante psicrométrica (Pa C 1 ) r a : resistencia aerodinámica (s m 1 ) r c : resistencia de la canopia al transporte de vapor (s m 1 ) Combinando las ecuaciones anteriores (1,2, y 3), asumiendo que G es despreciable y definiendo como la pendiente de la función de presión de vapor a saturación: * * ec ea = Tc Ta donde: e a * : presión de vapor a saturación a T a (Pa) se obtiene: Tc Ta ( 1 rc ) * ra Rn γ + ra ea ea = ρ Cρ + γ (1 + rc ) + γ (1 + r ra c ) ra (4) Esta ecuación muestra que la diferencia de temperatura entre la canopia y el aire depende de los parámetros ambientales radiación neta (Rn), déficit de presión de vapor del aire (e * a - e a ), resistencia aerodinámica (r a ) y parámetros de la hoja como la resistencia al transporte de vapor (r c ).

26 24 Si un cultivo se encuentra en condiciones evidentes de estrés, los estomas se encuentran cerrados, por lo que podría asumirse que la planta opone gran resistencia al transporte de vapor hacia el aire, o lo que es similar, la resistencia de la cubierta vegetal al transporte de vapor tiende a infinito: luego, rc ra Rn Tc Ta = (5) ρ Cρ Este es el límite superior de T c -T a, el cual representa un cultivo en condiciones de estrés hídrico severo. Dado que el proceso de transpiración se encuentra detenido, T c -T a es independiente del déficit de presión de vapor del aire, y el balance energético de la hoja resulta del aporte de radiación por parte del ambiente y la pérdida de energía sólo por radiación y convección. Al contrario, si un cultivo se encuentra en óptimas condiciones hídricas, no opone resistencia al transporte de vapor desde su interior, tendiendo prácticamente a cero: rc 0 luego Tc Ta * ra Rn γ ea ea = ρ Cρ + γ + γ (6) Esta es la ecuación del límite inferior de T c -T a, que representa un cultivo en óptimas condiciones hídricas transpirando a su tasa potencial. De esta manera, se puede apreciar que la diferencia de temperatura entre la hoja y el aire es una función lineal del déficit de presión de vapor del aire. Debido a la dificultad para obtener los valores de radiación neta

27 25 (Rn), velocidad del viento, y la estimación correcta de la resistencia aerodinámica, es que se suponen estos parámetros como constantes. Aunque estas condiciones no se encuentran en la práctica, se pueden obtener relaciones muy cercanas a lo lineal en forma experimental, como las calculadas por Idso (1982). La ecuación dada para el límite inferior de T c -T a representa un cultivo transpirando a su tasa potencial, la cual supone el valor de resistencia de la canopia al transporte de vapor (r c ) igual a cero, lo que en la práctica no sucede. Esto puede variar según el cultivo y probablemente tenga un valor levemente mayor que cero, definiéndose como resistencia de la canopia a transpiración potencial (r cp ). Al sustituir r c por r cp en la ecuación derivada del balance de energía (4), se obtiene: Tc Ta Donde: r = Rn γ e * * a a * ρ Cρ + γ + e γ a * * γ = γ (1 + r cp r a ) Por otra parte, al resolver la ecuación originada del balance de energía (1,2 y 3) en función de λe, resulta la ecuación de evapotranspiración de Penman-Monteith (Dorenbos y Pruitt, 1977): Rn + ρ Cρ λe = + γ ( rc ( e * a e + ra) a ) r a A medida que la disponibilidad de agua en el suelo disminuye, la evapotranspiración disminuye bajo la tasa potencial, de esta manera, se puede establecer una aproximación del déficit de transpiración, calculando la evapotranspiración actual (ET) sobre la potencial (ETp) para un cultivo determinado:

28 26 * ET + y = ETp + γ ( + rc ra ) De esta forma, en el caso de que el cultivo se encuentre transpirando a su tasa potencial, r c es igual a r cp, por lo que ET/ETp=1. Por el contrario, si el cultivo se encuentra en condiciones de evidente estrés, ET/ETp=0. Con el fin de aplicar estos conceptos a la determinación del umbral de riego en los cultivos, se considera que la planta pase de una condición de óptima dotación hídrica a un cierto nivel de estrés hídrico, por lo que es deseable que un índice de estrés hídrico sea de 0 a 1. Es así como se define el índice de estrés hídrico del cultivo (CWSI), el cual puede variar de 0 (cero), en el caso de un cultivo transpirando a su potencial, a 1 (uno) en un cultivo sin agua disponible en el suelo. Por lo que el CWSI se define como: CWSI = 1 ET ETp Idso et al. (1981) establecieron el CWSI en forma similar, con la diferencia de que el índice se obtiene realizando mediciones de campo de diferencias de temperatura de la canopia y del aire ( T) en diferentes medioambientes (húmedo, seco), de manera de conseguir un amplio rango de déficit de presión de vapor (dpv). Para calcular el límite inferior de T c -T a ( T), el que se denomina línea base inferior, se obtienen datos de T de un cultivo que se encuentre transpirando a su potencial en un rango de dpv dentro del cual se va a calcular posteriormente el CWSI. Se demostró experimentalmente que existe una relación lineal negativa entre T y dpv, es decir, a medida que la demanda evaporativa de la atmósfera se incrementa T se hace más negativo, es decir, la canopia se encuentra más fría que el ambiente. La magnitud del

29 27 cambio está dada por la pendiente de la línea base inferior. Idso (1982) comprobó que las características de esta curva (pendiente e intercepto) son especie específicas, al medir 26 cultivos diferentes en diversos medioambientes. En tanto para calcular el límite superior de T, llamado línea base superior, se realizan mediciones en un cultivo con un estrés hídrico severo o en condiciones de no transpiración. Idso et al. (1981) demostraron que esta línea es independiente del dpv, es decir, el valor de T estaría dado por intercambios energía por radiación y convección, por lo que no varía al aumentar el dpv. La siguiente figura muestra ambas curvas y cómo se calcula el CWSI: 6 5 B Tc-Ta ( C) P Estresado No estresado dpv (mbar) A Figura 1: Representación de líneas base y cálculo del CWSI Para una medición cualquiera de T y déficit de presión de vapor (figura 1), el punto P representa el estado actual del cultivo (dpv=18 mbar; T= -1 C). Si la planta tuviera el suministro hídrico suficiente para transpirar a su potencial, T sería -3 C (punto

30 28 A), al interceptar la línea base inferior con el dpv en18 mbar. Por otra parte, si el cultivo no transpirara, T sería 5 C (punto B). Así, se puede definir el índice de estrés hídrico del cultivo, como el cuociente entre las distancias que existen entre los puntos AP y AB: CWSI AP = AB ( 1) ( 3) = ( + 5) ( 3) = 2 8 = 0.25 Este índice es un número entre 0 y 1, asumiendo un valor 0 (cero) para un cultivo en óptimas condiciones hídricas y 1 (uno) para un cultivo que se encuentra en estrés máximo Problemas asociados a la determinación del CWSI Existen ciertos problemas asociados al cálculo del CWSI, dados principalmente por factores ambientales, de la planta y de los instrumentos de medición, los que afectan la determinación de la temperatura de canopia a través de termómetros infrarrojos, introduciendo errores en la medición. Estos problemas pueden ser disminuidos al establecer reglas de muestreo, con el fin se estandarizar la mediciones (Gardner et al., 1992a). Gardner et al. (1992b) propone procedimientos de muestreo tendientes a minimizar los factores que afectan la medición y el cálculo del CWSI, con el fin de que el índice sea comparable entre mediciones realizadas en distintas localidades y válido para cualquier medioambiente. La contaminación con polvo u otras partículas en los instrumentos puede afectar las mediciones. En el caso de los termómetros infrarrojos, éstos cuentan con un lente altamente sensible, el cual debe ser limpiado periódicamente para evitar que la suciedad del lente altere la radiación captada. Si el dpv es medido por un psicrómetro, la muselina del bulbo húmedo debe estar limpia y libre de sales o

31 29 aceite, por lo que debe humedecerse sólo con agua destilada o por lo menos desmineralizada, ya que cualquier contaminante puede hacer variar la lectura. Es importante calibrar regularmente el termómetro infrarrojo con un objeto que absorba toda la radiación que incide sobre él (cuerpo negro), de manera de poder corregir cualquier diferencia que se registre. La emisividad del objeto que se va a medir también debe ser correctamente fijada, para evitar errores en la lectura. En el caso de una superficie vegetal verde varía entre 0,95 y 0,98. Es indispensable estimar la dimensión del objetivo a medir con el termómetro infrarrojo, basándose en la posición del sensor con respecto a la superficie que se está midiendo y el campo visual del equipo, el que varía según el modelo y fabricante. Se debe establecer entonces la distancia y el ángulo al que se sostiene el sensor con respecto al objetivo, de manera de no medir parte del suelo, el horizonte u otro cultivo, lo que alteraría la medición, afectando en gran medida el cálculo del índice. Esto también ocurre frecuentemente cuando se desea medir en estadios tempranos, sobre plantas pequeñas. El viento y la radiación solar pueden afectar también la determinación del CWSI, ya que estos parámetros no están considerados en el cálculo y varían considerablemente entre cada localidad y en el tiempo, sin embargo, si estos parámetros se mantienen estables durante el período de medición del CWSI y en la determinación de las líneas base, se pueden obtener fieles resultados. La alteración en el índice es mínima cuando las variaciones en la velocidad del viento son sobre 2,5 m/s, ya que sobre ese nivel la resistencia aerodinámica decrece lentamente, en cambio se producen grandes cambios en el CWSI cuando el viento es variable bajo 2,5 m/s, debido a una mayor transferencia de calor sensible al aumentar la velocidad del viento.

32 30 En condiciones de radiación solar alta y relativamente estable, aún podría existir una variación en la temperatura de canopia medida, debido a la diferencia en el calentamiento por radiación entre las hojas expuestas a la luz y las sombrías. Nielsen et al. (1984) observaron que las mediciones de temperatura de canopia, medida en varios cultivos, varían considerablemente dependiendo si son hojas sombrías o expuestas. Gardner y Shock (1989) mostraron en hojas no estresadas y en hojas sometidas a estrés hídrico, que al ponerlas a la sombra, no presentaban diferencias en temperatura de canopia. Es por esto que es recomendable tratar de medir hojas expuestas directamente al sol, en el caso que se realicen mediciones muy cerca de la planta o que el campo visual del termómetro infrarrojo sea muy reducido. Según lo descrito por Idso (1982), las líneas base de ciertos cultivos pueden cambiar significativamente al momento de pasar de la etapa de crecimiento vegetativo a la de crecimiento reproductivo, debido a que se produce un cambio en la arquitectura de la planta, apareciendo estructuras que modifican la temperatura de la canopia. Hutmacher et al. (1991), plantean que en alfalfa para semilla, se requiere calcular 3 líneas base superior diferentes para las etapas de desarrollo vegetativo, floración y desarrollo y maduración de la vaina, debido a que los cambios morfológicos afectan la transpiración y la transferencia de calor sensible. Por lo tanto, al utilizar la línea base calculada para el período vegetativo sobre todo el desarrollo del cultivo, se incurre en errores en el cálculo del CWSI, sobrestimando el índice hasta en 0,3 unidades.

33 31 4. MATERIALES Y MÉTODO 4.1 UBICACIÓN DEL ENSAYO El estudio se realizó en la Estación Experimental Antumapu (33º 34' Latitud Sur, 70º 38' Longitud Oeste), perteneciente a la Facultad de Ciencias Agronómicas de la Universidad de Chile, ubicada en la comuna de La Pintana, provincia de Santiago, región Metropolitana, Chile. 4.2 CLIMA Santibañez y Uribe (1990), definen el clima del sector donde se llevó a cabo el estudio como Mediterráneo Semiárido de tipo templado mesotermal estenotérmico. Se caracteriza principalmente por presentar temperaturas promedio que varían entre 28,2 ºC en Enero y 4,4 ºC en Julio. Cuenta con un período libre de heladas de 231 días, alcanzando a acumular 1621 días grados y 1147 horas de frío en el mismo período. En lo que se refiere al régimen hídrico, la zona tiene una precipitación media anual de 419 mm, con un déficit hídrico de 997 mm y un período seco de 8 meses. Por la ubicación del distrito, el régimen térmico se caracteriza por veranos calurosos y secos e inviernos fríos, lo que corresponde al clima tipo del valle central. 4.3 SUELO El suelo donde se realizó el trabajo es de origen aluvial y pertenece a la serie Santiago. Se caracteriza por ser moderado a ligeramente profundo, presentar una textura franco arenosa fina, con topografía plana (0 a 2% de pendiente), buen drenaje y permeabilidad rápida. (Comisión Nacional de Riego, 1981).