PROGRAMACIÓN DEL RIEGO CON SENSORES DE DIÁMETRO DEL TRONCO

Transcripción

1 PROGRAMACIÓN DEL RIEGO CON SENSORES DE DIÁMETRO DEL TRONCO A. Galindo 1, P. Rodríguez 2, Z.N. Cruz 2, J. Collado-González 1, M. Corell 3, I.F. Girón 4, M.J. Martín-Palomo 3, A. Moriana 3, A. Torrecillas 1 1 Dpto. Riego. Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura (CSIC). P.O. Box 164, E Espinardo (Murcia), España. 2 Dpto. Fisiología y Bioquímica Vegetal. Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas (INCA). San José de Las Lajas, Mayabeque, Cuba. 3 Dept. Ciencias Agroforestales, EUITA, Universidad de Sevilla, Carretera de Utrera Km 1, Sevilla, España. 4 Dpto. Sostenibilidad del Sistema Suelo-Planta-Atmósfera. Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología (CSIC). Avda. reina Mercedes, 10. E Sevilla, España. Introducción Los agrosistemas mediterráneos se encuentran sometidos a frecuentes situaciones de desequilibrio entre la oferta y la demanda de agua que obligan a la toma de decisiones tendentes a reducir considerablemente el uso del agua en agricultura. La mejora de la eficiencia del uso del agua debe comprender la modernización tanto de los sistemas de conducción como de programación del riego (Naor and Cohen, 2003; Katerji et al., 2008). Los procedimientos tradicionales de programación del riego se basan en medidas de variables climáticas (Allen et al., 1998) o bien en medidas de la humedad del suelo (Hanson et al., 2000). La ubicación de los sensores de humedad del suelo debe realizarse teniendo en cuenta la distribución y densidad de raíces, lo que constituye un factor de incertidumbre dada la heterogeneidad del suelo y la variabilidad tridimensional de la humedad del suelo en condiciones de riego localizado. Por otra parte, la determinación de la evapotranspiración de los cultivos suele llevar asociadas ciertas incertidumbres debido a los efectos de la arquitectura del dosel vegetal, fracción de suelo sombreado y manejo del suelo. La estima de la evapotranspiración de plantaciones jóvenes o en situaciones de activa proliferación de malas hierbas crea adicionales posibilidades de error.

2 Recientemente, están adquiriendo una importancia creciente los esfuerzos encaminados a programar el riego en base a medidas del estado hídrico de las plantas (Férnandez y Cuevas, 2010; Ortuño et al., 2010). Estas ideas derivan del hecho de que los métodos tradicionales de estima de las necesidades de riego no consideran de forma directa el estado hídrico de las plantas. En este sentido, hemos de partir de la idea de que las propias plantas son el mejor indicador de su estado hídrico, ya que integran los efectos tanto del suministro de agua desde el suelo como de las condiciones climáticas (Jones, 2004). Además, los indicadores del estado hídrico basados en medidas en las plantas poseen la ventaja adicional de estar directamente relacionados con la productividad de los cultivos (Goldhamer et al., 2003). El objetivo de este trabajo se centró en realizar una breve revisión sobre los sensores de diámetro del tronco en cultivos leñosos, abarcando, esencialmente, su comparación con distintos indicadores del estado hídrico medidos de forma continua o discontinua, su significado fisiológico, la obtención de niveles de referencia y los resultados actuales sobre su utilización en la programación del riego. Fundamentos El potencial hídrico foliar es el indicador más utilizado para evaluar el estado hídrico de las plantas (Améglio et al., 1999; Hsiao, 1990). Sin embargo, su interacción con los niveles de conductancia foliar dificulta el establecimiento de valores umbrales para la programación del riego. Situación por la que en la actualidad se ha difundido como alternativa el uso del potencial hídrico de tallo ( tallo ), medido en hojas cubiertas con papel de aluminio y plástico, antes de ser cortadas, con lo que las pérdidas de agua vía transpiración quedan interrumpidas (Choné et al., 2001; Naor, 2000; Shackel et al., 1997). No obstante, el uso de tallo para programar el riego, implica frecuentes desplazamientos a las parcelas de cultivo, el concurso de personal especializado para las medidas y gastos adicionales. Por ello, pueden resultar preferibles aquellos indicadores capaces de suministrar información en tiempo real y ser incorporada a autómatas de riego. En este sentido, en los últimos años se ha reactivado el interés de los investigadores por el uso de sensores capaces de medir de forma precisa, continua y automática el estado hídrico de los cultivos, destacando tanto las medidas

3 de flujo de savia (FS) como las medidas de las variaciones micrométricas del diámetro del tronco (VDT). Para las medidas micrométricas de las VDT se usan, fundamentalmente, sensores de desplazamiento variable y respuesta lineal (LVDT) de alta precisión, dendrómetros, unidos al tronco mediante unas abrazaderas especiales hechas con invar, una aleación de níquel y hierro con un coeficiente de dilatación prácticamente nulo (Fotografía 1 y Esquema 1). Estos sensores constan de un núcleo magnético que se mueve impulsado por una varilla en contacto con el órgano vegetal a medir (Esquema 2). Dicho núcleo discurre por el interior de un cilindro, entre un embobinado primario y otro secundario. A la bobina primaria se le aplica una señal portadora (corriente alterna) que produce un campo magnético alrededor del núcleo, y este campo magnético induce un voltaje alterno en la bobina secundaria. Como en cualquier transformador, el voltaje de la señal inducida en la bobina secundaria está linealmente relacionado con el número de espiras expuestas. Fotografía 1. Sensor LVDT con portasensor de invar sobre el tronco de distintos cultivos leñosos Portasensor TRONCO Varilla de desplazamiento Sensor LVDT Esquema 1. Componentes de un dendrómetro y forma de ubicarlo alrededor de un tronco

4 Bobina secundaria Varilla Núcleo Bobina primaria Esquema 2. Sección de un sensor LVDT El diámetro del tronco oscila en ciclos de 24 h, alcanzando valores máximos (MXDT) antes del alba y mínimos (MNDT) durante la tarde (Figura 2). La diferencia entre estos valores extremos se conoce como máxima contracción diaria (MCD). La evolución de los valores del MXDT y MNDT también suministra información de utilidad. Concretamente, la diferencia entre dos valores consecutivos del MXDT informa de la tasa diaria de crecimiento del tronco, y la consideración de los valores del MXDT en un determinado período informa del crecimiento acumulado. El MNDT refleja el efecto combinado del suministro de agua desde el suelo y la demanda evaporativa sobre la máxima contracción, mientras que el MXDT resulta afectado por los procesos de rehidratación, los cuales dependen esencialmente del suministro de agua desde el suelo y sólo de manera indirecta de la demanda evaporativa del día precedente (Goldhamer y Fereres, 2001; Ortuño et al., 2004). El riego tiene una influencia directa sobre los valores del máximo y mínimo diámetro del tronco, de modo que una situación de déficit hídrico induce aumentos en los valores de la MCD, con la peculiaridad de que esta conducta se mantiene hasta que se sobrepasa un determinado nivel umbral de déficit hídrico, descendiendo posteriormente. En la Figura 3 se recoge un ejemplo en limoneros adultos con un umbral de tallo de -1.8 MPa (Ortuño et al., 2006). Si bien hubiera sido de desear que la relación entre ambos parámetros correspondiese a un comportamiento lineal en un más amplio rango de déficit hídrico, no es menos cierto que los valores umbrales corresponden a niveles de estrés lo suficientemente importantes como para tener que tomar decisiones de riego con anterioridad.

5 Variación del diámetro del tronco (mm) MCD MXC CMXDT CMNDT MXDT MNDT Hora solar Figura 2. Evoluciones diarias del diámetro del tronco de limonero y parámetros derivados: Máximo (MXDT) y mínimo (MNDT) diámetro del tronco, tasas de crecimiento del mínimo (CMNDT) y máximo (CMXDT) diámetro del tronco, y máxima contracción diaria (MCD) 0.5 B MCD (mm) MCD = tallo tallo tallo 3 r 2 = tallo (MPa) Figura 3. Relación entre la máxima contracción diaria del tronco (MCD) y el potencial hídrico del tallo ( tallo ) en limoneros adecuadamente regados (símbolos azules) y con distintos niveles de déficit hídrico (símbolos rojos). Por otra parte, es importante resaltar que las plantas se encuentran de forma casi continua bajo déficit hídrico, incluso en casos en los que el suministro de agua desde el suelo es óptimo, ya que cambios en la demanda evaporativa de la atmósfera pueden inducir cambios en el estado hídrico de las plantas. De ahí que

6 deba prestarse una especial atención a la interpretación de los niveles de cualquiera de los posibles indicadores del estado hídrico basados en medidas en las plantas. Un determinado valor, en sí mismo, carece de significado si no es normalizado respecto a su correspondiente en plantas bajo condiciones no limitantes de suministro hídrico, que es lo que ha venido a denominarse intensidad de señal (IS) de un indicador (Goldhamer y Fereres, 2001). Selección de indicadores del estado hídrico para la programación del riego Un buen indicador debe de presentar una alta sensibilidad para diagnosticar mínimos cambios en el estado hídrico de las plantas, debiendo existir una determinada proporcionalidad entre la IS del indicador y el nivel de déficit hídrico desarrollado. Por otra parte, uno de los principales inconvenientes de la utilización de indicadores del estado hídrico de las plantas es la considerable variabilidad entre árboles (Ginestar y Castel, 1996; Naor, 2000). Sin embargo, debe de ser la consideración conjunta tanto de la IS como de la dispersión o ruido (coeficiente de variación, CV) de las medidas de un indicador la que determine su utilidad para la programación del riego (Goldhamer et al., 2000; Goldhamer y Fereres, 2001). De esta manera, aunque pueda existir una considerable variabilidad entre árboles (ruido), esto puede no ser tan crítico si la IS es suficientemente elevada (relación señal/ruido elevada), pudiendo evitarse la instalación de un elevado número de sensores por parcela y el encarecimiento del control automático del riego A modo de ejemplo, en la Tabla 1 se recogen los datos correspondientes a la intensidad de señal de tres indicadores del estado hídrico (MCD, FS y tallo ), el ruido (coeficiente de variación) y la relación entre ambos durante 15 días de supresión del riego en limoneros adultos. Los tres indicadores presentaron niveles similares de ruido, y la MCD presentó una superior intensidad de señal que la observada para el FS y similar a la del tallo. Esto indujo a que la mayor relación señal/ruido fuese la observada para la MCD, indicando su mayor adecuación para detectar una situación de déficit hídrico. Si bien resulta imprescindible que el indicador utilizado para la programación del riego posea una adecuada sensibilidad para detectar una situación de déficit hídrico, este indicador debe ser igualmente sensible para detectar la recuperación desde una situación de estrés. En este sentido, es importante resaltar que si bien el FS y la MCD son altamente sensibles para detectar la aparición de una situación de

7 estrés hídrico (Ortuño et al., 2004; Ortuño et al., 2004b; Ortuño et al., 2006), la respuesta del FS a la recuperación de un déficit hídrico es más lenta debido a la posible influencia de los procesos de recarga de las capacitancias, lo que le hace perder utilidad a los fines aludidos (Ortuño et al., 2005). Tabla 1. Niveles medios de intensidad de señal, ruido y relación señal/ruido de la máxima contracción diaria del tronco (MCD), flujo de savia (FS) y potencial hídrico del tallo ( tallo ) durante 15 días de supresión del riego en limoneros adultos. Los valores de intensidad de señal y ruido sin letras en común son significativamente diferentes según el test de la LSD Indicador Señal media Ruido medio Señal/ruido MCD 1.23a 0.055a 22.4 FS 1.10b 0.073a 15.1 tallo 1.19ab 0.070a 17.1 Además, es importante conocer la respuesta de los posibles indicadores a utilizar frente a otras situaciones ambientales adversas. En este sentido, Ortuño et al. (2007) demostraron cómo los indicadores del estado hídrico basados en medidas tanto continuas como discontinuas en las plantas presentan ante situaciones de exceso de agua en el suelo respuestas muy similares a las ocasionadas por un déficit hídrico. Por esta razón, un autómata para la programación del riego en base a un indicador del estado hídrico medido en las plantas debe de recibir información complementaria procedente de sensores de humedad del suelo y/o climáticos capaces de permitir al autómata discernir la causa inductora de modificaciones en los valores del indicador. Niveles de referencia Para normalizar los valores de cualquier indicador se precisan los correspondientes valores de referencia, los cuales se pueden obtener bien de árboles en la misma plantación sin ninguna limitación de riego o desarrollando líneas de base (ecuaciones de referencia) entre los valores del indicador seleccionado y

8 alguna variable climática, las cuales deben utilizarse dentro de sus límites de confianza. Existen numerosas comprobaciones de que es posible predecir valores de referencia de la MCD en diferentes cultivos a partir de datos de variables climáticas (Tabla 2) (Ortuño et al., 2010; Galindo et al., 2013). Incluso, en algunos casos se han encontrado óptimas relaciones con la temperatura media diaria, variable de fácil y económica medida, a pesar de que ésta no sea un buen indicador de la demanda evaporativa (Moreno et al., 2006; Ortuño et al., 2010; Galindo et al., 2013). No obstante, algunos autores plantean dudas sobre la universalidad de estas ecuaciones debido a posibles influencias de la edad/tamaño de los árboles, período fenológico, carga productiva, portainjerto, localización de los sensores, etc. (Ortuño et al., 2010). Hecho que pueda deberse a que las VDT no se deban sólo al balance de agua en la planta, sino también al del carbono, ya que en algunos cultivos leñosos el contenido de azúcares en los tejidos resulta muy condicionado por la presencia de algunos sumideros de carbono como los frutos. Programación del riego con sensores Ya en 1989 (Li et al., 1989) se realizó por primera vez la comparación de la programación del riego utilizando un valor umbral de la MCD respecto de la programación en función de las lecturas de tensiómetros en el suelo y de una estrategia de riego deficitario. Sin embargo, unos 15 años después, Goldhamer y Fereres (2004) compararon en almendro distintos tratamientos de riego programados en función de valores umbrales de la intensidad de señal de la MCD, demostrando que era posible programar el riego en base exclusivamente a medidas de dicho indicador del estado hídrico. Para programar el riego en función de un determinado valor umbral de intensidad de señal del indicador utilizado se debe de conocer la trascendencia fisiológica, así como su posible impacto en la cosecha y calidad de la fruta y deben de elaborarse criterios de manejo del riego ante los aumentos o disminuciones de los valores de intensidad de señal.

9 Tabla 2. Ejemplo de algunas ecuaciones de referencia de la MCD en función de variables climáticas (ETo, evapotranspiración del cultivo de referencia; R d, radiación global; T m, temperatura media diaria del aire; T md, temperatura media al mediodía; VPD m, déficit de presión de vapor medio diario; VPD md, déficit de presión de vapor media al mediodía). Cultivo Edad Periodo fenológico Ecuación de referencia r 2 Fuente Almendro (Prunus dulcis) cv Fritz Joven Abril-Mayo MCD = VPD m 0.77 Goldhamer y Fereres (2004) Almendro (Prunus dulcis) cv Price Manzano (Malus communis) cv Golden Delicious Ciruela (Prunus salicina) cv Black Gold Joven Junio-Noviembre MCD = VPD m 0.64 MCD = T m 0.59 Joven Estación MCD = ETo 0.79 Adulto Estación MCD = VPD m 0.65 Crecimiento fruto MCD = 0.01 e 0.01 ETo 0.73 Fereres y Goldhamer (2003) C. Biel (datos no publicados) Intrigliolo y Castel (2006b) Postrecolección MCD = VPD m 0.54 Ciruela (Prunus salicina) cv Black Gold Adulto Mayo-recolección MCD = VPD m (Baja carga) 0.58 Intrigliolo y Castel (2007a) MCD = VPD m (Alta carga) 0.68 Granado (Punica granatum) cv Mollar de Elche Adulto Estación MCD = ETo 0.76 MCD = VPD m 0.61 Galindo et al. (2013) MCD = T m 0.54 Limón (Citrus limon) cv Fino Adulto Estación MCD = T m 0.77 Ortuño et al. (2009b) Mandarino (Citrus clementina) cv Clementina de Nules Adulto Estación MCD = R d 0.52 Velez et al. (2007) Melocotón (Prunus persica) cv Flordastar Adulto Estación MCD = ETo 0.47 MCD = VPD m 0.66 Conejero et al. (2011) MCD = T m 0.59 Olivo (Olea europaea) cv Arbequina Olivo (Olea europaea) cv Manzanillo Joven Agosto-Septiembre MCD = VPD m 0.80 Adult Junio- Septiembre MCD = VPD md 0.83 MCD = T md 0.79 Moriana y Fereres (2004) Moreno et al. (2006) Olivo (Olea europaea) cv Picual Adulto Estación MCD = VPD m (Baja carga) 0.84 Moriana y Fereres (2004) Agosto-Septiembre MCD = VPD m (Alta carga) 0.71 Goldhamer y Fereres (2001) propusieron distintos protocolos para el riego de cultivos leñosos tanto jóvenes como adultos: En el caso de árboles adultos con riego de alta frecuencia de aportes (cada dos días o menos) sugirieron el siguiente proceso: i) Seleccionar una fecha de comienzo y aplicar una determinada dosis de

10 riego y, ii) Cuando la intensidad de señal exceda el valor umbral tres días consecutivos la dosis de riego se aumenta un 10 %. En el caso contrario, el riego se disminuye un 10 %. Otros autores han utilizado pequeñas modificaciones de este protocolo, bien programando el riego semanalmente (Vélez, 2004), o bien modificando el número de días en los que la intensidad de señal debe exceder el valor umbral para aumentar el riego (García-Orellana et al., 2007). Para el caso de los cítricos, cabe destacar los trabajos durante dos años de Vélez (2004) en clementina, en los que comparó dos tratamientos regados a distintos umbrales de intensidad de señal de la MCD respecto de un control regado en función de las lecturas de la ETc de un lisímetro de pesada. Los resultados ratificaron la idea de la posibilidad de programar el riego en base exclusivamente a las medidas de la MCD, así como de programar niveles de riego deficitario con mínimos impactos en la cosecha, disminución de los riesgos de contaminación por drenaje y ahorros de energía. Posteriormente, García-Orellana et al. (2007) y Ortuño et al. (2009) demostraron la viabilidad de distintas estrategias de riego deficitario sostenido en limonero programado exclusivamente en base a distintas intensidades de señal de la MCD, excepto en periodos lluviosos de baja demanda evaporativa para los que se necesitan modificaciones en los protocolos de riego (intensidad de señal de la MCD más alta y/o más baja frecuencia de aportes de agua). Posteriormente, Conejero at al. (2011) demostraron cómo pueden programarse estrategias de riego deficitario controlado (RDC) utilizando exclusivamente medidas de la MCD. De esta manera, los mencionados autores consiguieron ahorros de agua del 35 al 42 % sin afectar la producción, ni las características de los frutos. De forma muy parecida, Moriana et al. (2013) confirmaron la utilidad de los sensores de diámetro del tronco para programar el RDC en olivo, aunque para este cultivo propusieron el uso de las tasas de crecimiento del tronco como más sensible que la MCD. CONCLUSIONES Los resultados expuestos demuestran que es posible programar el riego en función exclusivamente de las medidas derivadas de sensores de diámetro del tronco, abriendo unas prometedoras perspectivas a esta línea de investigación y a sus posibilidades de aplicación en la programación precisa del riego.

11 No obstante, y de forma complementaria a otras cuestiones propias de la electrónica de las medidas con estos sensores y la transmisión de datos, quedan aspectos esenciales que abordar, tales como determinar el número de árboles instrumentalizados a utilizar en una plantación comercial, la ubicación más adecuada de los sensores dentro de un árbol, resolver las dudas planteadas sobre la generalización de las ecuaciones de referencia, encontrar valores de intensidad de señal para cada periodo fenológico capaces de ahorrar agua sin impactar en la producción y profundizar en la elaboración y validación de protocolos de riego. En este último aspecto conviene contar con herramientas capaces de alcanzar de forma más rápida situaciones de déficit hídrico previamente programadas y evitar la disminución de la precisión de la programación del riego al coincidir con lluvias considerables. Agradecimientos Este trabajo se ha realizado al amparo del proyecto financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO) (CICYT/FEDER AGL C2-1-R y AGL C2-2-R). AG, J.C-G y ZNC disfrutaron de una beca FPU, FPI y AECID del gobierno español, respectivamente. Bibliografía Allen, R.G., Pereira, R.S., Raes, D., Smith, M Crop evapotranspirationguidelines for computing crop water requirements. Irrigation and Drainage 56, FAO, Roma. Améglio, T., Archer, P., Cohen, M., Valancogne, C., Daudet, F.A., Dayau, S., Cruiziat, P Significance and limits in the use of predawn leaf water potential for tree irrigation. Plant and Soil 207: Choné, X., van Leeuwen, C., Dubourdieu, D. Gaudillère, J.P Stem water potential is a sensitive indicator of grapevine water status. Annals of Botany 87: Conejero, W., Mellisho, C.D., Ortuño, M.F., Moriana, A., Moreno, F., Torrecillas, A Using trunk diameter sensors for regulated deficit irrigation scheduling in early maturing peach trees. Environmental and Experimental Botany 71:

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