Avances tecnológicos para optimizar la gestión hídrica en la agricultura

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1 Adaptación de la Agricultura al Cambio Climático. Avances tecnológicos para optimizar la gestión hídrica en la agricultura Dr. Samuel Ortega-Farias Director CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y TRANSFERENCIA EN RIEGO Y AGROCLIMATOLOGÍA (CITRA) FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS UNIVERSIDAD DE TALCA, CHILE Academia Chilena de Ciencia Agronómicas, Santiago 06 Septiembre, 2013

2 Distribución de las precipitaciones( ) Fuente: H. Kohl/H.Kühr, Kliemawandel auf der ErdeSpectrum de Wissenschaft, 7/2004

3 Monthly Rainfall (mm) "El Niño" phase (2006/07) Annual Rainfall (mm) 0 May Jun Jul Aug Sep OcT Nov Dic Jan Feb Mar Apr 0 Monthly Annual Monthly Rainfall (mm) "La Niña" phase (2007/08) Annual Rainfall (mm) 0 May Jun Jul Aug Sep OcT Nov Dic Jan Feb Mar Apr 0 Monthly Annual Precipiraciones mensual y annual durante el Niño y Niña

4 Fuente: Patricio Gonzalez, CITRA-Universidad de Talca

5 En 1997, la Universidad de Talca con el apoyo de FONDEF sentaron las bases para el establecimiento del Servicio Integral de Agroclimatología y Riego (SIAR). En el año 2000 de crea con finaciamiento FONDEF el Centro de Investigación y Transferencia en Riego y Agroclimatología (CITRA)

6 Misión Principal Realizar investigación científica y aplicada en el ámbito del riego, agroclimatologia, modelamiento biomatemático, agricultura de precisión y cambio climático Transferir sus resultados al sector productivo y Apoyar la docencia de pre-grado y post-grado en la Facultad de Ciencias Agrarias de la Universidad de Talca.

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8 - Tecnologías de la información y comunicaciones (TIC)

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10 Estimación del Consumo Hídrico y Manejo del Riego Estaciones Meteorológicas Automáticas

11 Evapotranspiration de cultivo El consumo de agua o evapotranspiración se puede estimar como: ETa = ETo* Kc ETa = ETo* (Kcb * Ks + Es) donde: ETa = evapotranspiración actual (mm d -1 ) ETo= evapotranspiración de reference (mm d -1 ) Kc = coeficiente de cultivo Kcb= coeficiente basal Es = coeficiente de evaporación

12 Para la programación del riego la Estación Meteorológica DEBE ESTAR SOBRE UNA CUBIERTA DE PASTO para así estimar la ET de referencia ETa= ETo * Kc

13 Sin embargo, los valores de Kc dependen del tamaño de la cubierta vegetal, área foliar, distancia de plantación, sistema de conducción, cobertura vegetal. Variación espacial del crecimiento (vigor)

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15 Estimación del Consumo de Agua ETa = ETo*Kc a) 0.60 b) ETo (mm d -1 ) Kr Dic Jan Feb Mar Apr 0 Oct Nov Dic Jan Feb Mar Abr Sector1 Sector2 a) Evapotranspiración de referencia (ETo) b) Coeficiente de riego sitio especifíco(kr)

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17 Modelo para estimar la evapotranspiración de referencia (Penman-Monteith) ET 0 = 0,48Δ 900 ( Rn G) + γ U ( ) 2 es ea Ta ( ) Δ + γ 1+ 0,34U 2 donde: Rn= flujo de radiación neta (MJ m -2 h -1 ); G= flujo de calor del suelo (MJ m-2 h-1); Δ = pendiente de saturaciòn la curva presión de vapor versus temperatura del aire (KPaºC -1 ); γ= constante sicrométrica (kpa C -1 ); es= presión de vapor en saturación (kpa); e a = presión parcial del vapor de agua (kpa) ; T a = temperatura de aire (K); U2= velocidad del viento a 2 metros de altura (m s -1 ).

18 Estaciones meteorológicas en el viñedo

19 El modelo doble o triple capa para estimar directamente la evapotranspiración actual: a) Transpiración del dosel b) Evaporación del suelo Datos de entrada: - Variables climáticas - índice de área foliar (LAI) percepción remota (NDVI) - resistencia del dosel modelos

20 Modelo de doble capa donde: LE = calor latente desde el dosel (W m -2 ) PM c = termino de la transpiration similar a la ecuación de Penman- Monteith PM s = termino de la evaporation similar a la ecuación de Penman- Monteith C c = coeficiente de transpiración C s = coeficiente de evaporación = latent heat of vaporization (J kg -1 )

21 Model for transpiration (PM c ) where: A = available energy at the canopy (W m -2 ); A s = available energy at the soil surface (W m -2 ); D= water vapor pressure deficit at the reference height (KPa); r sc = surface canopy resistance (s m -1 ) r aa = aerodynamic resistance between canopy source height and reference level (s m -1 ); r ac = bulk boundary layer resistance of the vegetative elements in the canopy (s m -1 ); Δ = slope of the saturation vapor pressure curve at the mean temperature (kpa C -1 ); a = air density (kg m -3 ); C p = specific heat of the air at constant pressure (J kg -1 K -1 ); = psychrometric constant (kpa C -1 ).

22 Model for soil evaporation (PM s ) where: A= available energy leaving the canopy (W m -2 ); As = available energy at the soil surface (W m -2 ); D= water vapor pressure deficit at the reference height (KPa); r ss = soil resistance (s m -1 ) r aa = aerodynamic resistance between canopy source height and reference level (s m -1 ) r as = aerodynamic resistance between the soil and canopy source height (s m -1 ) Δ = slope of the saturation vapor pressure curve at the mean temperature (kpa C -1 ); a = air density (kg m -3 ); C p = specific heat of the air at constant pressure (J kg -1 K -1 ); = psychrometric constant (kpa C -1 ).

23 Eddy covariance system LE was measured using an open-path infrared gas analyzer IRGA (LI-7500). H was measured by a three dimensional sonic anemometer (CSAT)

24 Reference height (5.5 m) e x r a a r s c r a c Top of the canopy (3.2 m) r a s e s Soil surface r s s e w (T s )

25 Altura de referencia (5 m) e x ET r a a r s c r a c r a s Altura del dosel (2.2 m) r s s e s e w (T s ) Superficie del suelo

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27 Calor del suelo y evaporación

28 Índice de Área foliar Mediciones LAI-2000 Análisis de hojas escaneadas Evolución en el tiempo Variabilidad espacial

29 The stomatal resistance (r st ) was measured at midday using a portable infrared gas analyzer (model LI-6400, LI-COR, Lincoln, NE) The average value of r st for the olive orchard was 260 s m -1

30 Gas exchange and soil moisture

31 Publicaciones: Results and Discussion Ortega-Farias, S., Carrasco, M., Olioso, A., Acevedo, C. And Poblete, C Latent heat flux over a Cabernet Sauvignon Vineyard using the Shuttleworth and Wallace model. Irrig. Sci, 25: Poblete, C. and Ortega-Farias, S Estimation of actual evapotranspiration for a drip-irrigated Merlot vineyard using a three-source model. Irrig. Sci, 28: Ortega-Farias, S., Poblete, C., and Brisson, N Parameterization of a twolayer model for estimating vineyard evapotranspiration using meteorological measurements. Agric. Forest Meteorol., 150: Ortega-Farías, S. and López-Olivari, R Validation of a two-layer model to estimate latent heat flux and evapotranspiration over a drip-irrigated olive orchard. Transactions of the ASABE, Vol. 55(4): Li, S., Kang, S., Zhang, L., Li, F., Hao, X., Ortega-Farias, S., Guo, W., Ji, S., Wang, J., and Jiang, X Quantifying the combined effects of climatic, crop and soil factors on surface resistance in a maize field. J. Hydrol. Vol. 489:

32 Transpiración observada = 2.5 mm d -1 Transpiración estimada = 2.1 mm d -1 4,0 Transpiration (mm d -1 ) 3,0 2,0 1,0 0, DOY T sf Tsf T sw Tsw Transpiración obtenida por el flujo de savia (T sf ) and calculada por el modelo bicapa (T sw ) (cv. Merlot)

33 Evaporación observada = 0.5 mm d -1 Evaporación estimada = 0.70 mm d -1 E (mm d -1 ) 4,0 3,0 2,0 1,0 b) 0, DOY E sw Esw Em m Evaporación diaria medidad por el microlisimetros (E m ) and calculada por el moldelo bicapa (E sw ) (cv. Merlot)

34 Statistical validation of vine transpiration (T sw ), soil evaporation (E sw ) and vineyard evapotranspiration (ET sw ) over a drip-irrigated Merlot vineyard. RMSE (mm d -1 ) MAE (mm d -1 ) b Z-test 1 T sw F E sw F ET sw F RMSE = root mean square error; MAE = mean absolute error; b = ratio between estimated and measured values 1 T = true hypothesis (b = 1); F = false hypothesis (b 1).

35 Estimación de coeficiente dual para un viñedo usando flujo de savia y eddy correlation Publicaciones Poblete-Echeverría, C. and Ortega-Farias, S Evaluation of single and dual crop coefficients over a drip-irrigated Merlot vineyard (Vitis vinifera L.) using combined measurements of sap flow sensors and eddy covariance system. Australian Journal of Viticulture. DOI: /ajgw Poblete-Echeverría, C., Ortega-Farias, S. and Zuñiga, M Estimation of dual crop coefficients over a drip-irrigated Merlot vineyard using sap flow sensors and eddy covariance system. Acta Hort. (ISHS) 951:

36 . Coeficiente Dual ( Ke) ETa = ETo Kcb + Transpiration: Kcb = coeficiente basal Evaporación de suelo: Ke = coeficiente de evaporación

37 Estimación del coeficiente dual para un viñedo (cv Merlot) Fruit set Veraison

38 Estimación de la evapotranspiración usando el sistema de renovación superficial (Surface Renewal Method). Publicaciones Poblete-Echeverría, C. and Ortega-Farias, S Calibration and validation of the surface renewal (SR) method to estimate the sensible heat flux over a drip-irrigated vineyard. Accepted, Agric. Water Management

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44 Comparación entre la evapotranspiración medida por el sistema de flujos turbulentos (ETve) y simulada por las redes neuronales (ETrn)

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46 Sistema METRIC para estimar consumo de agua usando imagenes satelitales y datos climáticos Albedo Radiación neta Temperatura radiometrica Emisividad Imagen satelital NDVI Calor de suelo ETa (LE) Calor sensible Estación meteorológica automática

47 Instrument to validate model for estimating plant water use

48 Handheld spectroradiometer (CropScan MSR-16R) normalized difference vegetation index (NDVI), soil-adjusted vegetation index (SAVI) CropScan MSR-16R

49 Gas exchange and soil moisture

50 Mapa de consumo de agua viñas (Landsat 5 y 7)

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