Estimación de la evapotranspiración de un huerto de manzanos mediante el modelo de coeficiente dual FAO-56 asistido por imágenes satelitales

Estimación de la evapotranspiración de un huerto de manzanos mediante el modelo de coeficiente dual FAO-56 asistido por imágenes satelitales Carlos Poblete-Echeverria 1 Magali Odi 1, Samuel Ortega-Farias 1 1 Centro de Investigación y Transferencia en Riego y Agroclimatología (CITRA) Universidad de Talca, Chile. cpoblete@utalca.cl Resumen: La evapotranspiración real (ETa) es un parámetro fundamental para la aplicación de un riego en forma eficiente. Uno de métodos más usados para estimar ETa es el método de FAO-56. Sin embargo, para su correcta aplicación es necesario conocer los coeficientes de cultivos (K c y K cb ), los cuales son complejos de medir en terreno. Actualmente, existen diversos estudios que han analizado las relaciones entre índices de vegetación y el coeficiente de cultivo, las ecuaciones que asocian índices de vegetación con coeficientes de cultivo permiten incorporar este parámetro dentro del balance hídrico en la zona de raíces, y de esta forma es posible estimar ETa. Es por esto que un ensayo experimental fue llevado a cabo con el objetivo de estudiar la estimación de la ETa realizada por medio de modelos de balance de agua en suelo asistido por satélite utilizando relaciones entre los coeficientes de cultivo y los índices de vegetación presentadas en la literatura para diferentes cultivos. Los resultados fueron comparados con datos medidos en terreno con un sistema de flujos turbulentos registrándose una sobre estimación de la ETa, lo cual indica la necesidad de contar con ecuaciones calibradas para las condiciones específicas de los huertos de manzanos, además de disminuir la incertidumbre en el cálculo de la evaporación del suelo en cubiertas heterogéneas. Palabras clave: Teledetección, Landsat 7 ETM+, Sistema de flujos turbulentos, coeficiente dual. Introducción La evapotranspiración real (ETa) es un parámetro fundamental para la aplicación de un riego en forma eficiente. Al respecto, uno de los métodos más usados para estimación de la evapotranspiración real es el método de FAO-56 en su modalidad de coeficiente de cultivo simple y dual (Allen et al., 1998; Allen et al., 2005). El método FAO-56 ha sido ampliamente utilizado para la estimación de la ETa en diferentes cultivos (Allen et al., 2005). La metodología FAO-56 denominada K c -ET o o metodología en dos pasos (Kc*ETo) estima la ETa de los cultivos multiplicando la evapotranspiración de referencia (ETo) que caracteriza la demanda evaporativa de la atmósfera y un coeficiente de cultivo (Kc) que refleja las características de la cubierta vegetal (Allen et al., 1998). ETa puede ser estimada por medio de dos aproximaciones i) coeficiente simple (Kc) el cual representa el efecto de planta y suelo en forma conjunta y ii) coeficiente dual (Kcb + Ke) ), que contempla de forma separada los procesos de evaporación desde el suelo desnudo (Ke) y de transpiración desde las plantas (Kcb) (Allen et al., 1998; Allen et al., 2005). En la literatura es posible encontrar coeficientes de cultivo representativos de la mayoría de los cultivos a lo largo del mundo, sin embargo diversos estudios han indicado que los coeficientes de cultivos son sitio específico, por lo cual es recomendable una calibración local de ellos para que la estimación de ETa realizada por el método FAO-56 sea adecuada. En cultivos de dosel discontinuo la aproximación dual de FAO-56 ha sido exitosamente utilizada en algodón (Hunsaker et al., 2003; Howel et al., 2004) en manzanos (Dragoni et al., 2004) en duraznero (Goodwin et al. 2006; Paco et al., 2006) en olivos (Er-Raki et al., 2010) en plantaciones de café (Flunigan et al., 2011) y en viñedos (Campos et al., 2010). Por su parte, la medición o estimación de coeficientes de cultivo en terreno es compleja ya que requiere mediciones de la evaporación real. Es por esto que el estudio de las relaciones entre coeficientes de cultivos e índices de vegetación obtenidos a partir de la combinación de dos o más bandas espectrales está tomando fuerza. El uso de K c y K cb obtenidos de una 0135

secuencia multi-temporal de reflectancias en superficie proporciona una mejor estimación de las condiciones reales de la cubierta que aquellos coeficientes calculados desde condiciones climáticas y de producción promedio. Existen en la literatura diversos estudios que analizan las relaciones entre índices de vegetación y el coeficiente de cultivo basal (K cb ) (Bausch 1993; Calera 2000; González-Piqueras 2006; Neale et al. 1989; Hunsaker et al. 2003; Jayanthi et al. 2007; Er-Raki et al. 2007). Esta metodología ha permitido la determinación de los coeficientes de cultivo a partir de datos provenientes de imágenes satelitales y extender el cálculo de la evapotranspiración de cultivo a grandes áreas (Gonzalez-Dugo y Mateos 2008; Campos et al. 2010). Las ecuaciones que asocian índices de vegetación con el K cb, permiten incorporar este parámetro dentro del balance hídrico en la zona de raíces, y de esta forma es posible estimar ET a. En la presente investigación se utiliza el modelo de coeficiente dual FAO-56 asistido por satélite para la estimación de la ET a en un huerto de manzano. La información espectral proveniente del satélite se incorpora directamente al modelo a través de una relación lineal IV-K cb. El objetivo general del presente trabajo es estudiar la estimación de la evapotranspiración real realizada por medio de modelos de balance de agua en suelo asistido por satélite utilizando relaciones entre los coeficientes de cultivo y los índices de vegetación presentadas en la literatura para diferentes cultivos. Materiales y métodos Descripción general del ensayo El estudio se realizó durante la temporada agrícola 2010-2011 en un huerto de manzanos comercial ubicado en la comuna de Pelarco, Región del Maule, Chile (35 25 56 LS 71 23 54 L.O 198 m.s.n.m). El huerto de manzanos (Malus x domestica cv. Cripp s Pink) fue establecido en el año 2007 con una orientación Este-Oeste y con espaciamiento de 1,5 m sobre hilera y 4 m entre hileras en una superficie de 4,8 ha. Las plantas están dispuestas sobre un portainjerto M7 con manejos ortopédicos en su estructura de tipo Solaxi. El clima característico de la zona del ensayo es mediterráneo, presentando precipitaciones anuales entre 700 a 750 mm, y un déficit hídrico que varía entre 400 y 500 mm. El periodo libre de heladas es de 5 a 6 meses aproximadamente, de octubre a marzo. El huerto está ubicado en la serie de suelo Pelarco, la cual se caracteriza por ser un suelo franco arenoso muy fino, sedimentario de origen aluvial y con un nivel freático entre 50 a 80cm de profundidad. El suelo es de color pardo oscuro en superficie y pardo rojizo oscuro a pardo oscuro en profundidad, topografía plana, drenaje imperfecto, permeabilidad moderadamente lenta, y escurrimiento superficial lento. Estimación de la evapotranspiración La evapotranspiración del manzano se calculó usando la metodología FAO-56 de coeficiente simple y dual (Allen et al., 1998): ET = (K ) ET (1) as c o ET = (K K + K ) ET (2) ad s cb e o donde ET o es la evapotranspiración de referencia (mm dia -1 ); ET as es la evapotranspiración real calculada usando el coeficiente simple (mm dia -1 ); ET ad es la evapotranspiración real calculada usando el coeficiente dual (mm dia -1 ); K c es el coeficiente de cultivo (adimensional); K cb es el coeficiente de cultivo basal (adimensional); K s es el coeficiente de reducción que describe el estrés hídrico (adimensional); K e es el coeficiente de evaporación 0136

en suelo (adimensional). Valores de K c y K cb para el manzano se obtuvieron mediante diferentes relaciones lineales entre Kc, K cb y el NDVI obtenido de las imágenes de satélite reportadas en la literatura y que han sido desarrolladas para distintos tipos de cultivos (Tabla 2). Tabla 2. Ecuaciones utilizadas para estimar coeficiente simple (K c ) y coeficiente basal (K cb ) a partir de los índices de vegetación NDVI y SAVI. Número Ecuación Cultivo Fuente Coeficiente de cultivo simple 1 K c =1.461SAVI+0.017 Maíz Bausch, 1995 2 K c =1.1875NDVI+0.05 General Tasumi et al., 2006 3 K c = 0.71NDVI+0.27 Remolacha Ferrara et al., 2010 Coeficiente de cultivo basal 4 K cb =1.26NDVI-0.06 Maíz Neale et al., 1989 5 K cb =1.44NDVI-0.10 Viñedo Campos et al., 2010 6 K cb =1.638NDVI-0.003 Soja Jayanthi et al., 2001 8 K cb =1.36NDVI-0.03 Cebada González-Piqueras et al., 2006 7 K cb =1.085SAVI-0.0504 Papa Jayanthi et al., 2007 Valores de K s y K e se obtuvieron mediante el cálculo diario de un balance de agua en la zona de raíces del manzano siguiendo la metodología de FAO-56. Los parámetros del balance de agua en el suelo utilizados son presentados en la Tabla 3. Valores de coeficiente de cultivo observados fueron calculados utilizando la evapotranspiración real medida por el sistema de flujos turbulento y la evapotranspiración de referencia (Kc_obs=ETa_obs/ETo). Por su parte los valores de coeficiente de cultivo basal observados fueron calculados utilizado la tasa entre la transpiración y la evapotranspiración real obtenida previamente para manzanos utilizando sensores de flujo de savia (T/ETa_obs 0.65). Tabla 3. Parámetros del balance de agua en el suelo para el hurto de manzanos. Variable Symbol Value Units Source Agua fácilmente evaporable REW 9 mm Allen et al., 1998 Fracción de suelo mojada y f ew 1-Fc eff adimensional Medido en terreno expuesta Fracción del suelo mojado f w 0.3 adimensional Medido en terreno por el riego Capacidad de campo θ fc 0.36 cm 3 cm -3 Medido en terreno Punto de marchitez θ wp 0.22 cm 3 cm -3 Medido en terreno permanente Profundidad de la capa Z e 0.10 m Allen et al., 1998 evaporante Profundidad máxima Zr max 1 m Allen et al., 1998 efectiva de raíces Agua total evaporable TEW 25 mm Allen et al., 1998 Profundidad mínima Zr min 1 Allen et al., 1998 efectiva de raices Fracción de agotamiento de agua en suelo sin estrés p 0.65 adimensional Allen et al., 1998 Evapotranspiración real y componentes del balance de energía 0137

La evapotranspiración real fue obtenida utilizando un sistema de flujos turbulentos instalada a 4.0 m sobre el nivel del suelo. Los flujos de calor latente (LE) y sensible (H) fueron registrados utilizando un analizador infrarrojo de gases (LI-7500) y un anemómetro sónico tridimensional (CSAT-3). Además, flujos de calor de suelo (G) y radiación neta (Rn) fueron medidos utilizando placas de calor de suelo (HFT3) y un radiómetro neto (QREBS 7.1). Más detalles de configuración de sensores son presentados en Poblete-Echeverría and Ortega-Farías (2009). Evapotranspiración de referencia La Evapotranspiración de referencia diaria se calculó usando la ecuación FAO56- Penman-Monteith (Allen et al., 1998). Los parámetros meteorológicos para el cálculo fueron medidos con una estación meteorológica automática sobre una superficie de referencia situada en las inmediaciones del cuartel de manzanos estudiado. Información de satélite Los valores de reflectancia en superficie se obtuvieron del sensor Landsat 7 ETM+. Para los análisis y cálculos de índices de vegetación se utilizaron 5 imágenes libres de nubes sobre el área de estudio (Path-Row 233-085) (Tabla 1). Tabla 1 Fechas de adquisición de imágenes Landsat 7 (ETM+) sin nubes utilizadas para el análisis (Path-Row 233-085) para el huerto de manzanos cv. Cripp s Pink. Temporada Fecha (dd-mm-aa) Día Juliano Satélite 2010-2011 06-11-10 310 Landsat 7 ETM+ 08-12-10 342 Landsat 7 ETM+ 09-01-11 9 Landsat 7 ETM+ 25-01-11 25 Landsat 7 ETM+ 26-02-11 57 Landsat 7 ETM+ El procesamiento de las imágenes consistió en la aplicación de una corrección geométrica y radiométrica según el procedimiento presentado por Chander et al. (2007) y una corrección atmosférica propuesta por Tasumi et al. (2007). Posteriormente, se procedió al cálculo de los índices de vegetación: i) NDVI índice de vegetación de diferencias normalizadas (Rouse et al. 1973) y ii) SAVI índice de vegetación de diferencias normalizadas (Huete, 1988). Ambos, índices fueron calculados a escala de píxel sobre el área de estudio (Huerto de manzanos), obteniéndose un valor promedio evitando los píxeles de los bordes. Resultados y discusión En este estudio los valores de NDVI y SAVI calculados a partir de las imágenes del satélite Landsat 7 ETM+ para las 5 fechas analizadas (Tabla 1) fluctuaron entre 0.53-0.60 y 0.45-0.50, respectivamente (Figura 1). El menor valor de NDVI y SAVI se obtuvo en ambos casos en la primera imagen analizada la que correspondió al DJ 310 (06-11-10) periodo en el cual el huerto de manzanos todavía no alcanzaba su máximo desarrollo vegetativo. Los valores máximos de los índices de vegetación fueron alcanzados al final de temporada cuando los arboles ya alzaron su máximo desarrollo vegetativo. El valor máximo de NDVI fue obtenido el DJ 57 (26-02-11) y para el caso de SAVI el valor máximo fue obtenido el DJ 25 (25-01-11) (Figura 1). La variación espacial de los valores de NDVI para píxeles de 30x30 metros es presentada en la Figura 2, la cual muestra que la parcela experimental fue relativamente homogénea. 0138

Figura 1. Valores de NDVI y SAVI para las 5 fechas analizadas. Barras verticales representan la desviación estándar. Figura 2. Variación espacial de los valores de NDVI para pixeles de 30x30 metros de las 5 fechas analizadas. La Figura 3 muestra los valores de evapotranspiración real medidos con el sistema de flujos turbulentos y los valores de evapotranspiración de referencia, para los días en los cuales existieron imágenes de satélite sin nubosidad. En esta figura además se muestra la tasa ET a_obs /ET o que corresponde a K c_obs, conjuntamente con la tasa T _obs /ET o que corresponde a K cb_obs. Los valores de ET a_obs registrados para el huerto de manzanos variaron entre 2.39 y 3.46 mm dia -1, mientras que los valores de ET o variaron entre 4.21 y 5.48 mm dia -1. Por su parte los valores de K c_obs registrados fluctuaron entre 0.56 a 0.64. 0139

Figura 3. Comparación entre la evapotranspiración real medida con el sistema de flujos turbulentos y los valores de evapotranspiración de referencia. Comparación entre los Coeficientes de cultivo simple y basal para las 5 fechas analizadas. Los valores de K c_obs son inferiores a los reportados por FAO-56 para el periodo de crecimiento medio del manzano sin cobertura (Kc=0.95). Al respecto, Jara y Valenzuela (1998) registraron valores de K c en manzanos para los meses de Noviembre a Febrero que variaron entre 0.6 a 1.0. Por otro lado los valores de K cb_obs calculados para los días en estudio fluctuaron entre 0.42 a 0.48, siendo al igual que los valores de K c inferiores a los reportados por FAO-56 para manzanos. Figura 4 muestra la comparación entre los K c obtenidos con las ecuaciones de literatura (Tabla 2) versus los valores medidos en terreno. En general las 3 ecuaciones testeadas sobreestimaron el valor de K c observado, siendo la ecuación 3 la que fue desarrollada para el cultivo de remolacha por Ferrara et al., (2010) la que presentó valores más cercanos. En el caso de los K cb los resultados muestran que la ecuación desarrollada para cultivo de papa por Jayanthi et al., (2007) presentó valores similares a los valores observados, mientras que el resto de las ecuaciones analizadas presentaron valores similares sobrestimando el valor de K cb observado para el huerto de manzano (Figura 5). Finalmente, los valores de ETa estimados utilizando la información de satélite junto con el balance de agua en la raíces mostraron un buen grado de ajuste con los valores medidos en terreno (Figura 6). 0140

Figura 4. Comparación entre los coeficientes de cultivo simple (K c) obtenidos con las ecuaciones de literatura y los valores medidos en terreno (a) y comparación entre los coeficientes de cultivo basales (K cb ) obtenidos con las ecuaciones de literatura y los valores medidos en terreno (b) Figura 5. Comparación entre la evapotranspiración observada y la estimada para los días 5 días analizados. Conclusiones En el presente trabajo la estimación de la ETa realizada por medio de modelos de balance de agua en suelo asistido por satélite utilizando relaciones entre los coeficientes de cultivo y los índices de vegetación presentadas en la literatura para diferentes cultivos. Los resultados fueron comparados con datos medidos en terreno con un sistema de flujos turbulentos registrándose una sobre estimación en el cálculo del coeficiente de cultivo simple (K c ) con las tres ecuaciones analizadas. En el caso del coeficiente de cultivo basal la ecuación desarrollada para papas por Jayanthi et al., (2007) presentó valores similares a los valores observados, el resto de las ecuaciones analizadas sobre estimo el valor de K cb para el huerto de manzano. Por lo tanto los resultados indican que es necesario contar con ecuaciones calibradas para las condices específicas de los huertos de manzanos. Los valores de ETa estimados utilizando la información de satélite y el balance de agua en la zona de raíces que más se ajustaron a los datos observados mostraron un buen grado de ajuste con los valores medidos en terreno. Es necesario Agradecimientos: La investigación llevada a cabo en este trabajo fue financiada por los proyectos CONICYT (Nº 79090035), FONDEF (D10I1157) Referencias Allen, R.G., Pereira, L.S., Raes, D. and Smith, M., 1998. Crop evapotranspiration: Guidelines for computing crop requirements. Irrigation and Drainage Paper No. 56, FAO, Rome, Italy. 0141

Bausch W. C., 1995. "Remote sensing of crop coefficients for improving the irrigatio scheduling of corn". Agricultural Water Management 21(1):55-68. Bausch, W. C., 1993: Soil background effects on reflectance-based crop coefficients forcorn. Remote Sens. Environ., 46, 213 222. Bausch, W.C. and Neale, C.M.U., 1987. Crop coefficients derived from reflected canopy radiation - a concept. Transactions of the ASAE, 30: 703-709. Bausch, W.C., 1993. Soil background effects on reflectance-based crop coefficients for corn. Remote Sensing of Environment, 46: 213-222. Campos, I., Neale, C.M.U., Calera, A., Balbontín, C., & González-Piqueras, J. (2010). Assessing satellite-based basal crop coefficients for irrigated grapes (Vitis vinifera L.). Agricultural Water Management, 98, 45-54. Choundhury, B.J., Ahmed, N.U., Idso, S.B., Reginato, R.J. and Daughtry, C.S., 1994. Relations between evaporation coefficients and vegetation indices studied by model simulations. Remote Sensing of Environment, 50: 1-17. González-Piqueras, J., 2006. Crop Evapotranspiration by means of remote sensing determination of the crop coefficient. Regional Scale Application: 08-29 Mancha Oriental aquifer, Universitat de València. González-Piqueras, J., 2006. Evapotrans-piración de la Cubierta Vegetal Mediante la Determinación del Coeficiente de Cultivo por Teledetección. Extensión a Escala Regional: Acuífero 08-29 Mancha Oriental., Universitat de Valencia, Valencia, 334 pp. Huete, A.R., 1988. A soil-adjusted vegetation index (SAVI). Remote Sensing of Environment, 25. Jara, D. y Valenzuela, A. 1998. Necesidades de Agua de los Cultivos. CNR-U.de Concepción. Chillán, Chile. 24 p Jayanthi, H., C. M. U. Neale, and J. L. Wright, 2001: Seasonal Evapotranspiration Estimation Using Canopy Reflectance - A Case Study Involving Pink Beans. Proc. Symp. Remote Sens. Hydrol., 267, Santa Fe, NM, Inter. Assoc. Hydrol. Sci., 302 305. Jayanthi, H., C. M. U. Neale, and J. L. Wright, 2007: Development and validation of canopy reflectance-based crop coefficient for potato. Agriculturl Water Management,88 235 246. Jayanthi, H., Neale, C.M.U. and Wright, J.L., 2007. Development and validation of canopy reflectance-based crop coefficient for potato. Agricultural Water Management, 88: 235-246. Neale, C.M.U., Bausch, W.C. and Heerman, D.F., 1989. Development of reflectance-based crop coefficients for corn. Transactions of the ASAE, 32: 1891-1899. Poblete-Echeverria, C. and Ortega-Farias, S. (2009) Estimation of actual evapotranspiration for a drip-irrigated Merlot vineyard using a three-source model. Irrigation Science 28, 65-78. Rouse, J.W., Haas, R.W., Shell, J.A., Deering, D.W. and Harlan, J.C., 1973. Monitoring the vernal advancement and retrogradation of natural vegetation. NASA/GSFC, Greenbelt. USA., Final Report. Tasumi, M., Allen, R. G., and Trezza, R. 2007. Estimation of atsurface reflectance and albedo from satellite for routine, operational calculation of land surface energy balance. J. Hydrol. Eng.. Tasumi, M., R.G. Allen and R. Trezza (2006), Calibrating satellite-based vegetation indices to estimate evapotranspiration and crop coefficients. Paper presented at the October 2006 USCID Water Management Conference, Boise, ID. Torres, E.A. and Calera, A., 2010. Bare soil evaporation under high evaporation demand: a proposed modification to the FAO-56 model. Hydrological Sciences Journal, 55: 303-315. 0142