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comportamiento hídrico de especies leñosas en tiempo real, a partir
de lecturas continuas de las fluctuaciones de diámetro de tronco y del
potencial matricial del agua en el suelo. La finalidad es ajustar los
volúmenes y frecuencias de riego en cada período de forma remota.
U
no de los métodos más uti-lizados para la medida del estado hídrico del árbol es la cámara de presión. Sin embargo, presenta el inconveniente de que no se ha podido adaptar para mediciones en continuo, lo que invalida su uso para la programación automática del riego. Se precisan, por lo tanto, equipos que registren en continuo el estado hídrico de la planta o cual-quier otro parámetro directamente relacionado con él, y que además, sean relativamente económicos.Investigadores de la UPCT han desarrollado un sistema, basado en una plataforma informática, capaz de realizar el seguimiento del compor-tamiento hídrico de especies leñosas en tiempo real, a partir de lecturas continuas de las fluctuaciones de diámetro de tronco y del potencial matricial del agua en el suelo, y de este modo ajustar los volúmenes y frecuencias de riego en cada periodo de forma remota.
El ahorro de agua en los sistemas agrícolas es una de las prioridades fundamentales de las zonas áridas y semiáridas, como es el caso del
sures-te español. Para ello, es necesaria la implementación de técnicas de riego que permitan obtener resultados concluyentes atendiendo a las dis-tintas fases de desarrollo del cultivo. El almendro, uno de los cultivos más representativos de los sistemas leñosos del secano en España, es una especie de fácil adaptación a distintas disponibilidades de agua, si bien su crecimiento y producción pueden verse seriamente afectados por la escasez de agua en el suelo.
Numerosos estudios han demos-trado que la aplicación de estrategias de riego deficitario en almendro per-mite conseguir importantes ahorros de agua con mínimas pérdidas de producción. Entre las estrategias de riego estudiadas, el riego deficitario controlado (RDC) ha mostrado re-sultados muy positivos en almendro. A diferencia del riego deficitario continuo (RD), la adecuada im-plantación del RDC requiere de un conocimiento preciso de la fenología del cultivo y de la sensibilidad de cada una de las fases al déficit hídrico, lo que implica un desarrollo importan-te de instrumentos que permitan
■ Datalogger Campbell Scientific CR1000. ■ Unidad de tratamiento de datos. Compu-tador para ambientes agresivos.
dicho conocimiento. En almendro, la fase de llenado del grano (Fase IV, junio-agosto) presenta menor sen-sibilidad al déficit hídrico (periodo no crítico) que el resto de periodos fenológicos, siendo éste el periodo clave para la aplicación del déficit hídrico controlado en esta especie. Sin embargo, el grado de éxito en la aplicación del RDC va a depender en gran medida de la intensidad de estrés durante este periodo, ya que un estrés hídrico demasiado severo, superior al umbral de tolerancia del cultivo, puede conducir a situaciones claramente desfavorables. Por ello, la implantación de estrategias de riego deficitario de precisión requiere de un control mucho más estricto del estado hídrico del árbol, el cual nos va a permitir dosificar de forma óptima los aportes de agua sin per-juicio de la producción y/o calidad de la cosecha.
Por tanto, el objetivo de este pro-yecto es presentar un protocolo de programación del riego basado en la monitorización del estado hídri-co del árbol y del suelo. El sistema planteado utiliza como consigna las intensidades de señal planificadas que serán comparadas con las obteni-das por los sensores para determinar los volúmenes de riego a aplicar a diferentes sectores de riego de una plantación de almendros adultos donde se siguen distintas estrategias de RDC. En particular, este artículo recoge el estudio, análisis y monito-rización de las principales variables
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del árbol, así como su tratamiento y manipulación al objeto de realizar un manejo racional del riego.
Arquitectura del sistema
Para un buen control del riego en base a medidas en planta es con-veniente la determinación de una serie de variables:
• Potencial del agua en el suelo. • Máxima contracción diaria de diámetro de tronco (MCD).
• Temperaturas húmeda y seca. El potencial del agua en el suelo se refiere a su estado energético, y refle-ja tan sólo indirectamente el estado hídrico de la planta, ya que éste es afectado, además, por las condiciones climáticas y de la propia planta. El análisis diario del máximo (MXDT) y mínimo (MNDT) diámetro del tronco es una herramienta muy eficaz para determinar el crecimiento y funcio-namiento hídrico del árbol, mientras que el registro de las temperaturas húmeda y seca permite determinar la humedad relativa y el déficit de presión de vapor del aire (DPV). A partir de esta información se pueden establecer relaciones del tipo MCD vs DPV, las que bajo condiciones no limitantes de agua en el suelo (líneas de referencia) resultan de gran interés para la programación del riego con dendrómetros.
El sistema está estructurado en 3 partes bien diferenciadas:
• Unidad de almacenamiento de datos.
• Unidad de tratamiento y
comu-nicación.
• Unidad de riego.
La unidad de almacenamiento de datos está compuesta por un
datalogger Campbell CR1000 con
multiplexor, capaz de almacenar más de 40 señales.
La unidad de tratamiento consiste en un computador específico para ambientes agresivos y está comu-nicado con el datalogger mediante un puerto de comunicaciones con
booster y, a su vez, con un sistema
inalámbrico de comunicación ADSL basado en una red de puntos de acceso.
La unidad de riego comprende un programa para el manejo de los com-ponentes del cabezal de riego: bomba de impulsión, bomba de abonado y válvulas de sectorización, además de dispositivos auxiliares.
Material y métodos
El ensayo ha abarcado el periodo 2008-2010. La parcela de ensayo forma parte de una finca de al-mendros ubicada en el término de Mazarrón. Los árboles de 12 años de edad están dispuestos en un marco de 6 m x 6 m. El sistema de riego es por goteo, con un único lateral por hilera de árboles y 6 goteros de 8 L h-1 por árbol. El agua de riego es de baja salinidad (CE25ºC≈1,25
dS m-1). El suelo es profundo y de
textura franco-arcillo-arenosa, con un contenido de agua útil de 0,15 m m-1 y densidad aparente de 1,45
g cm-3. Es pobre en materia
orgáni-ca, fósforo y potasio asimilable y no
presenta problemas de salinidad. El clima es de tipo mediterráneo semiá-rido con valores medios anuales de precipitación y evapotranspiración de referencia (ETo) de 250 mm y 1200 mm, respectivamente.
El ensayo consta de 4 tratamientos de riego según un diseño de bloques al azar con 3 repeticiones, con un total de 5 árboles monitorizados por tratamiento y 4 sensores de resisten-cia eléctrica (medida del potenresisten-cial matricial del agua en el suelo) por tratamiento. La monitorización del estado hídrico del árbol se lleva a cabo con dendrómetros, los que per-miten el registro de la evolución del diámetro del tronco, y a partir de ella la determinación de MCD (MCD = MXDT- MNDT), variable indicativa del estado hídrico del árbol.
La programación del riego acorde a la fenología de la planta y en base a medidas de diámetro de tronco requiere de ajustes continuos para situar el estado hídrico del cultivo al nivel deseado en consideración al momento del ciclo vegetativo en el que se encuentra. Así pues, las fases II, III (crecimiento de brotes y crecimiento exterior del fruto, pe-ricarpio) y V (postcosecha) son más sensibles al déficit hídrico que la fase IV (llenado del grano, junio-agosto), lo que permite aplicar durante esta última fase cierto grado de estrés sin penalizar la producción.
Los tratamientos de riego con-sisten:
• Control, CT, regado para satisfa-cer las necesidades hídricas máximas
■ Cabezal experimental de riego por goteo. ■ Detalle de la colocación de un dendrómetro (sensor LVDT) en el tronco de un almendro.
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• Tratamiento clásico del
agricul-tor, AGR programado de acuerdo a los
consejos de las cooperativas locales y a su propia experiencia.
El parámetro Intensidad de Señal (IS), relación entre la MCD prove-niente de un tratamiento cualquiera y la MCD del tratamiento control, normaliza los valores absolutos res-pecto a valores obtenidos bajo con-diciones no limitantes de agua en el suelo (tratamiento CT). En este caso valores por encima de la unidad indican estrés, mientras que valores de iguales o inferiores a 1 indican la ausencia de estrés.
MCDi IS= –––––––– MCDCT
Para conseguir los ratios desea-dos, es decir, un determinado nivel de estrés, se ajustan cada 2-3 días de forma remota los volúmenes de riego, de modo que cuando la intensidad de señal es superior a la deseada se incrementa el riego en un determinado porcentaje (5-10%) y si es menor a la deseada se reduce en idéntico porcentaje.
Los distintos tratamientos de riego son comandados por electroválvulas que están un determinado tiempo abiertas en función del volumen de agua que debe recibir el tratamiento. Además, los volúmenes realmente aplicados a cada tratamiento son registrados por contadores por pul-sos.
Unidad de instrumentación
La unidad de instrumentación está constituida por los sensores de planta y suelo y por el sistema de almacena-miento de datos o datalogger.
La sensorización de la planta está fundamentada en la obtención del parámetro MCD consistente en el
cálculo de la Máxima Contracción Diaria de tronco, por lo que se contro-la el diámetro del tronco de un modo cuasi continuo. Para ello se utiliza un sensor del tipo LVDT, fijado al tronco medianteuna estructura portasensor realizada en un material (invar) con un coeficiente de dilatación muy bajo y unido al tronco mediante un sistema de gomas elásticas.
EL sensor LVDT está compuesto por 3 bobinas y un núcleo ferromag-nético móvil. Una de las bobinas es el primario, que cubre totalmente el recorrido del núcleo, y las otras dos están puestas en serie a ambos lados del desplazamiento lineal del núcleo, de forma que si éste cubre a ambos secundarios por igual, la resultante es nula. El desplazamiento hacia delante o detrás producirá una inducción en los secundarios positiva o negativa respectivamente.
La sensorización de la hume-dad del suelo se realiza mediante un sensor de resistencia eléctrica, watermark, que mide el potencial matricial del agua del suelo.
En total se dispone de 5 árboles sensorizados por tratamiento (20 LVDT) y de 4 sondas de humedad de suelo por tratamiento (16 Wtm), lo que unido a diversos sensores de temperatura ambiental y al control electrónico del agua aplicada hace
que el sistema tenga que almacenar y tratar más de 40 señales.
Para ello, se utiliza un datalogger Campbell CR1000 con un multi-plexor, que permite capturar las 20 señales de los LVDT en formato voltaje diferencial con una resolución de ± 2500 mV y las 16 señales de los Watermark en formato de semi-puente de Wheastone. También se obtienen medidas de temperatura húmeda y seca así como los pulsos de los contadores de agua para validar de forma absoluta el consu-mo diario de agua (lo que permite también controlar fugas debidas a goteros rotos o desconexiones de tuberías). La programación del Campbell CR1000 se ha realizado con un muestreo de 30 segundos y
■ Esquema de funcionamiento de un sensor LVDT.
■ Detalle de la bobina y aguja del sensor LVDT.
■ Sensor de resistencia eléctrica, water-mark.
81 almacenamiento del valor
medio cada 10 minutos. La misma unidad Campbell se encarga de excitar los LVDT y los semipuentes. El sistema está alimentado a través de una batería que es continuamente mantenida por un cargador. El siste-ma monitoriza también la tensión de la batería para avisar de posibles cortes en la alimentación.
Unidad de
tratamiento de datos y comunicaciones
Esta unidad, compuesta básicamente por un com-putador con periféricos, tiene varios sub-objetivos. Por un lado, recibir los datos del datalogger, alojar el programa de riego y per-mitir las comunicaciones con el exterior.
Los datos son recupe-rados del datalogger utili-zando una comunicación serie tradicional con con-trol de flujo por hardware, siguiendo las directrices de Campbell, que obliga a disponer de todas las seña-les de control del puerto. El problema radica en que la unidad datalogger está ubicada en un armario
de intemperie en el centro de la parcela experimental, y el ordena-dor en la caseta de riego, a más de 80 metros, lo que condicionaba la comunicación, que finalmente fue
resuelta utilizando un booster en el tramo final.
La información del Campbell es recogida y tratada en el ordena-dor, obteniéndose la información necesaria para la realización de
la programación del riego en las distintas fases del cultivo.
Programación del riego
La programación del riego se realiza mediante una plataforma con un inter-face hardware basado en relés con control de estado que permite activar los contactores dedicados para cada elemento del sistema de bombeo de agua, así como las electroválvulas correspondientes a cada tratamiento de riego.
Dicha plataforma de rie-go ha sido elaborada en Vi-sual BASIC, al amparo del proyecto, y contiene todas las opciones requeridas por los técnicos agrónomos: duración de cada ciclo de regadío incluyendo fertirri-gacion y comienzo horario y división por sectores pa-rametrizables para poder realizar los distintos trata-mientos de riego. También se ha incorporado en la plataforma un control de estado del sistema, para informar sobre posibles interrupciones del proceso, que invalidarían o modifi-carían la interpretación de los resultados obtenidos por la instrumentación.
Comunicaciones
La instalación objeto del proyecto está ubicada a unos 60 km de la
■ Registro de las fluctuaciones de diámetro de tronco durante un periodo de 12 días.
■ Placa comercial para activación de relés mediante puerto se-rie.
■ Detalle de las electroválvulas de riego
■ Plataforma software que permite la activación del grupo de bombeo, fertirrigacion y sectorización de los tratamientos.
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Universidad Politécnica de Cartage-na (UPCT), hecho que conllevaba la realización de frecuentes viajes para recoger los datos registrados y reprogramar el riego acorde con el análisis de los mismos.
Para soslayar este inconveniente, y coincidiendo con la relativa cer-canía de una vivienda de campo con conexión telefónica y ADSL (700 m), se realizó una conexión vía Internet utilizando el escritorio remoto de Windows. Se utilizó una conexión Ethernet vía TCP/IP desde el ordenador situado en el cabezal de riego, con un punto de acceso funcionando en modo cliente y una antena de alta ganancia para lograr un enlace inalámbrico con la vivienda. De esta forma, la conexión Ethernet del ordenador puede tener acceso a Internet salvando
distan-cias de más de 10 km de una forma económica.
Para acceder desde el exterior al ordenador usando el escritorio remoto y dado que la dirección IP es dinámica, se registró gratuita-mente un dominio vinculado (www. no-ip.biz) que se va reajustando cada minuto, de forma que si el proveedor de Internet modifica la IP asignada, el dominio asigna la nueva IP al nombre registrado.
Por último, a fin de evitar pérdidas de datos por posibles cortes eléc-tricos, el ordenador tiene rearme y asignación de cuenta de Windows automático en caso de fallo de su-ministro.
Resultados agronómicos
Los resultados obtenidos durante el primer año de ensayos han
permi-AGR (línea roja).
En la generalidad de los días la IS del tratamiento RDC2 se ajustó a lo deseado. Sin embargo, se ob-servaron tres caídas de IS durante la fase IV. Las dos primeras fueron debidas a fallos en el suministro de riego al tratamiento CT, el que recibió cantidades inferiores a las programadas, mientras que la ter-cera y última fue motivada por la supresión del riego unos días antes de la recolección al objeto de poder simultanear la cosecha del conjunto de tratamientos y evitar daños de descortezado durante la recolección mecánica.
Por su parte, AGR muestra una evolución de aumento del estrés para las fases críticas II, III y V, como consecuencia de la infradotación hídrica, lo que a su vez origina una pérdida continuada de humedad del suelo acentuando el déficit hídrico del árbol.
Durante la fase IV, el tratamiento AGR presentó menores IS que RDC2,
■ Evolución del potencial matricial del agua en el suelo (Ψm) para
los tratamientos RDC2 (trazo continuo) y CT (trazo discontinuo) durante los días 182-189. Los registros de Ψm se obtuvieron con sensores de resistencia eléctrica, tipo watermark, colocados a 30 cm de profundidad e idéntica distancia del emisor.
■ Instalación de la antena.
■ Evolución de la intensidad de señal para los tratamientos RDC2 (trazo negro) y AGR (trazo rojo). La línea de trazos rectos representa la estrategia de riego perseguida o consigna. Las barras superiores indican las lluvias acaecidas.
83 lo que se podría interpretar como un
mayor grado de hidratación de los árboles; sin embargo, estos estuvie-ron mucho más estresados que los RDC2. Esta disminución de IS ante estreses severos se debe a una dis-minución relativa de la MCD debida al agotamiento del agua almacenada en los distintos órganos del árbol, lo que disminuye la contracción del tronco y por tanto IS.
La figura inferior derecha de la página anterior muestra la evolución del potencial matricial del agua en el suelo (Ψm) en RCD2 y CT durante el periodo 182-189 de la fase IV del cultivo. Para idéntico periodo, IS en RDC2 osciló entre 2,35 y 2,82, de ahí que se llegaran a registrar diferencias de potencial matricial, respecto a CT, de 45 kPa, lo que sugiere que en RDC2 se alcanzó un grado de estrés hídrico considerable durante la fase más propicia para la aplicación del déficit hídrico. Así mismo, se observó, en RDC2, una estrecha relación entre los valores de IS y Ψm a lo largo de la estación de riegos. En el tratamiento control los valores mínimos de Ψm, a 30 cm de profundidad, rondaron los -15 kPa indicando condiciones no limitantes de agua en el suelo. Contrariamente, el tratamiento AGR mantuvo durante todo el ciclo de cultivo valores de Ψm significativamente inferiores a los de RDC2 (datos no mostrados).
Se puede decir, por tanto, que el tratamiento agricultor no atendió a criterios técnicos ni fisiológicos de programación del riego; lo que se tradujo en una disminución del rendimiento (peso seco pepita/peso seco almendra cáscara) del 22% y del 35% en la producción total de almendra grano. Sin embargo, RDC no afectó al rendimiento ni a la producción total y supuso un
ahorro de agua del 30%, respecto a CT. La mayor producción y calidad de la almendra obtenida bajo RDC que en el tratamiento agricultor compensó sobradamente el mayor gasto de agua del RDC.
Automatización del riego
Está claro que, atendiendo a estos criterios, es posible obtener pará-metros relativos capaces de realizar un control automático del riego, a partir del seguimiento controlado de la intensidad de señal deseada.
Sin embargo, esto pertenece a un estadio posterior de este proyecto. Existen todavía demasiados factores externos que influyen en el compor-tamiento de la intensidad de la señal, como aportaciones por lluvias, plagas no tratadas, fenómenos climáticos adversos, etc., cuya monitorización es muy complicada y, por tanto, no pueden ser incorporadas directa-mente como perturbaciones de un sistema realimentado.
El objeto de este primer año de proyecto, se ha centrado en instru-mentar el proceso lo máximo posible y obtener las correlaciones entre variables que permitan establecer los parámetros de control necesa-rios para realizar la automatización completa del proceso de riego.
Los resultados obtenidos en almen-dros adultos ponen de manifiesto la
utilidad de la máxima contracción diaria de tronco (MCD) como indica-dor del estado hídrico del árbol y para la programación del riego deficitario controlado. Además, y debido a la necesidad de ir ajustando el riego a intervalos relativamente cortos se hace imprescindible poder contar con un sistema de control remoto económico y versátil, que evite fre-cuentes visitas a pie de parcela para el ajuste de los programas.
Los resultados agronómicos del primer año de ensayo demuestran que es posible rentabilizar el agua de riego, a pesar de su elevado precio, si se tienen en cuenta criterios de uniformidad de distribución y a la planta como indicador de sus propias necesidades hídricas.
Roque Torres Sánchez ETSII, UPCT
roque.torres@upct.es
Gregorio Egea, Manuel García, Pedro Nortes, Pablo Puerto ETSIA, UPCT
gregorio.egea@upct.es Francisco Javier Solano ETSIA-UPCT, Estación
Experimental Agroalimentaria ‘Tomás Ferro’, La Palma, Cartagena
Referencias
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of peach tree growth and productivity by regulated water supply, tree density, and summer prunning. Journal of the American Society for
Horticultural Science, 106: págs. 307-312.
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• Nortes, P.A. 2008. Respuesta agronómica y fisiológica del almendro
al déficit hídrico. Indicadores de estrés hídrico. Tesis Doctoral.
Univer-sidad Politécnica de Cartagena. pág. 194.
• Romero, P., Botia, P. y Garcia, F. 2004. Effects of regulated deficit
irrigation under subsurface drip irrigation conditions on vegetative development and yield of mature almond trees. Plant and Soil, 260:
págs. 169-181.
• Torrecillas, A., Ruiz Sánchez, M.C., Leon, A. y Del Amor, F. 1989.
The Response of Young Almond Trees to Different Drip-Irrigated Con-ditions - Development and Yield. Journal of Horticultural Science, 64:
págs.1-7.
Agradecimientos
Este trabajo ha sido financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación MICINN (AGL2007-66279-C03-03/AGR). Los auto-res desean agradecer al Sr. Roque Torres las facilidades prestadas en la ejecución de los ensayos.
