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S. FUENTES ET ALL - ANALIZADOR DE PATRONES DE MOJADO (WPA ©)

VINIDEA.NET, WINE INTERNET TECHNICAL JOURNAL, 2004 N. 9

ANALIZADOR DE PATRONES DE MOJADO (WPA ©), UN NUEVO SOFTWARE PARA VISUALIZAR LOS PATRONES DE MOJADO DEL SUELO EN TIEMPO REAL.

Sigfredo FUENTES1; Carlos CAMUS1; Gordon ROGERS3 y Jann CONROY1

1 Centro para la Horticultura y las Ciencias de las Plantas (CHAPS), Universidad del Oeste de Sydney, Hawkesbury Campus, Locked Bag 1797 Penrith South DC NSW, Australia. [email protected] 3 Facultad de Agricultura, Alimentación y Recursos Naturales Universidad de Sydney NSW 2006, Australia. Las determinaciones cuantitativas de la variación espacial y temporal de la humedad del suelo en la zona cercana a las raíces son factores críticos que deben ser considerados en el régimen hídrico para las vides sometidas a RDI (Riego Deficitario Controlado) y PRD (Secado Parcial de Raíces). RDI y PRD emplean variaciones de Patrones de Mojado del Suelo (SWP) para modificar la fisiología de la vid (por ejemplo, reduciendo la conductancia estomática) a fin de obtener incrementos deseables en la eficiencia del uso del agua y una uva de calidad. Con este objetivo, se está desarrollando un nuevo software, llamado Analizador de Patrones de Mojado (WPA©). Este software puede ser utilizado para generar animaciones 3D en tiempo real de SWP, que pueden ser correlacionadas con el estado hídrico de la planta, posibilitando la realización de estrategias precisas en el régimen hídrico para las vides sometidas a RDI y PRD.

En muchos países, el mayor desafío para la tecnología de riego es la escasez de agua, su distribución irregular y la utilización de una inadecuada tecnología para la acumulación y la aplicación de agua en el campo. Estas dificultades hacen imprescindible la adopción de nuevas tecnologías para optimizar el diseño y ejecución de riego. Las nuevas tecnologías permiten una adecuada mecanización y automatización de las operaciones agrícolas, mejorando la eficiencia del uso del agua y energía, haciendo este proceso compatible con los objetivos de protección del ambiente.

Un control preciso del régimen hídrico de las vides es un factor crítico para la obtención de una producción de calidad. Es bien sabido que la calidad del vino disminuye con un riego excesivo, el que también tiene un impacto directo sobre el crecimiento vegetativo. El Riego Deficitario Controlado (RDI) y el Secado Parcial de Raíces (PRD) son técnicas de riego relativamente nuevas, que han sido utilizadas para atacar dos de los problemas más importantes en la industria de las vides: la escasez de agua y la calidad de la uva. El principal objetivo de estas técnicas es realizar el manejo de la distribución espacial y temporal de la humedad en el perfil de suelo cercano a la raíz. Estas técnicas generan porciones de suelo húmedo y seco en la zona de raíces, resultando en una señal hormonal (probablemente ácido abscísico o ABA) producida en las raíces en la parte seca. Posteriormente, esta señal química es transportada vía xilema a las hojas, produciendo un cierre parcial de los estomas y, en consecuencia, un incremento en la eficiencia del uso del agua (Davies et al., 2002).

Como especialistas en riego, estamos enfrentados a mantener un manejo preciso de patrones de mojado no uniformes, al usar estas técnicas, en condiciones de campo. Por lo tanto, no podemos confiar en modelos numéricos para representar los patrones de mojado del suelo (SWP) (para diferentes tipos de suelo), los cuales pueden o no representar exactamente la forma y dimensión del SWP real (Reid and Huck, 1990). Además, los modelos numéricos son menos prácticos debido a su complejidad, costo y dificultad de reproducir la variabilidad espacial del patrón de mojado en el campo (Lafolie et al., 1989).

Para comprender los temas mencionados anteriormente, se ha desarrollado un software para monitorear los SWP. Este ha sido el resultado de una tesis doctoral en el Centro de Horticultura y Ciencias de la Plantas (CHAPS) de la Universidad del Oeste de Sydney. Este software permite la visualización de los SWP en 3D y en tiempo real. Por lo tanto, las dimensiones y la disponibilidad de humedad del suelo del bulbo húmedo puede estimarse y ser correlacionado con el estado hídrico de la planta. Este software tiene el potencial de ayudar a los especialistas en riego para comprobar



instantáneamente los efectos de las diferentes prácticas de riego en el campo o comparar los desempeños de los sistemas de riego en un tipo de suelo específico. Régimen hídrico empleando RDI o PRD. El dilema de la ubicación de la sonda

El monitoreo de la humedad del suelo es utilizado comúnmente para programar el riego de las vides sometidas a RDI y PRD. Sin embargo, el régimen hídrico se ha trasformado en un gran desafío cuando se emplean estas técnicas, las cuales han creado estrechos umbrales de humedad del suelo y estrés de la planta. Cuando se modifica la distribución espacial y temporal de la humedad del suelo en la zona de raíces, utilizando RDI o PRD, existe una modificación de la fisiología de la planta atribuida a la generación de señales químicas (raíz-a-brote) de las raíces en el lado seco. No es posible detectar estos cambios fisiológicos claves en la planta únicamente mediante el monitoreo de la humedad del suelo y las variables climáticas (evapotranspiración). En consecuencia, resulta imprescindible monitorear el estado hídrico de la planta, cuando se aplica RDI y PRD, para alcanzar un riego de precisión.

Cuando se adquiere un equipo de monitoreo de humedad del suelo, muchos especialistas en riego se enfrentan al dilema de dónde ubicar las sondas. Para resolver este problema, es imprescindible concentrarse en la distribución espacial y temporal del agua de acuerdo a las condiciones agro-climáticas específicas, sistema de riego y el estado hídrico de la planta. Este procedimiento es actualmente posible utilizando un nuevo software llamado WPA©, que fue desarrollado por Sigfredo Fuentes (Soil and Plant Science) y Carlos Camus (Code writing). Desarrollo de WPA© WPA © fue desarrollado utilizando sondas de capacitancia (Easy Ags, Sentek Pty. Ltd.). Estos tipos de sensores fueron elegidos gracias a la precisión de medición, a su área de medición relativamente pequeña (10cm de suelo desde el sensor) y al pequeño diámetro de los tubos (25mm), que causan una mínima intervención en el suelo. Para alcanzar los datos requeridos por el software, es necesario instalar un conjunto de sondas con sensores, a diferentes profundidades, cerca de la planta y de la fuente de agua (Fig.1). Esta distribución fue probada para vides (cv. Syrah), bajo riego normal por goteo y riego por goteo subterráneo, utilizando sondas con 4 sensores cada una a 10, 20, 30 y 50cm de profundidad en un suelo areno-arcilloso (Richmond NSW). Una distribución radial de las sondas y el monitoreo de humedad de suelo cada 10 minutos, permite una visualización en 3D de los patrones de mojado en tiempo real. Fig. 1. Distribución de las sondas de capacitancia en un cuarto del área designada a la vid (cv. Syrah) para riego por goteo normal (a) y subterráneo (b) PRD, Richmond NSW Australia (Temporadas 2002-03 y 2003-04).

(a) (b) N

SE

WN

SE

W



Fig.2. Ventana del salida del software WPA©. Comparación entre dos sistemas de riego: goteo normal (izquierda) y goteo subterráneo (derecha). El eje Y es profundidad (cm) y el X es la distancia desde la planta en la hilera. Imágenes obtenidas de sondas orientadas N-S. (Ver Fig.1). La ventana de salida (Fig. 2) muestra las imágenes de los patrones de mojado del suelo obtenidas mediante métodos de interpolación, que pueden ser recorridas con el puntero del mouse en un rango mínimo de 1cm2. Dos o más de los grupos de datos pueden ser también comparados. Esto permite evaluar diferentes tiempos de riego o los efectos de riegos por pulso sobre el movimiento lateral del agua en un corte vertical del suelo. Fotos individuales, grupos de fotos, matrices de datos y videos "avi" pueden ser exportados a excel o media players para análisis complementarios.

Calibración de sensores de humedad de suelo. ¿Es realmente necesario? La calibración de los sensores de humedad del suelo es considerada una práctica tediosa, de alto costo, que consume tiempo y que la mayoría de los productores no tiene intención de desempeñar. Este procedimiento es desarrollado más comúnmente por investigadores científicos. Sin embargo, más importante que la calibración de los sensores de humedad del suelo, es la medición de la distribución espacial y temporal del agua en el corte vertical del suelo, que juega un papel clave en el estado hídrico de la planta. Para desempeñar una medición precisa del estado hídrico de la planta, es esencial conocer el potencial hídrico de yema (ΨX) en diferentes momentos del riego. Esta determinación puede desempeñarse utilizando la bomba Sholander (Sholander et al., 1964) y el protocolo de medición ΨX (disponible por los autores). La Figura 3 muestra una de las determinaciones, monitoreando la forma y las dimensiones de los patrones de mojado, lo que permite realizar el cálculo del Total de Agua Disponible (TAW) en litros. Este valor puede ser correlacionado con el estado hídrico de la planta (ΨX) medido en diferentes momentos del riego (Fuentes et al., 2003).



Fig.3. Relación entre potencial hídrico de yema (ΨX) y disponibilidad total de agua (TAW) en un riego individual. Talca – Chile. Temporada 2002-03. cv. Cabernet Sauvignon. Llevando a cabo estas determinaciones podemos obtener tiempos de riego adecuados para prevenir la aplicación de un riego excesivo. El tiempo óptimo de riego puede obtenerse cuando la curva haya alcanzado su peak, que en este caso específico se acerca a –0.75MPa. Utilizando este simple procedimiento, podemos adaptar los tiempos de riego de acuerdo a la respuesta de la planta, lo que para los productores es una práctica más razonable que las tediosas calibraciones para “mejorar” la precisión de lectura. En este sentido, desarrollando mediciones periódicas del potencial hídrico de los tallos al mediodía y utilizando WPA© para los análisis de los SWP, podemos responder las dos preguntas fundamentales en riego, que son: ¿cuándo regar? y ¿cuánto regar?. Los umbrales de ΨX al mediodía serán establecidos de acuerdo a los objetivos de producción y al método de riego a ser desempeñado en determinados estadíos del ciclo fenológico de la vid. Comparación entre los sistemas de riego por goteo normal y por goteo subterráneo en vides cv. Syrah utilizando WPA© Una comparación entre los sistemas de riego por goteo normal y goteo subterráneo, empleando una nueva línea de goteo llamada Safe T-Flo®, fue desarrollada aplicando la distribución de las sondas de humedad del suelo (Fig. 1) y el software WPA©. Los resultados muestran que utilizando esta nueva línea de goteo hay un movimiento capilar ascendente del agua de riego, como ha sido promocionado por el fabricante (Irrigation and Water Technologies). El efecto se logra gracias a las características de construcción de la línea de goteo, que consisten en una línea de goteo con un film politexturado para mejorar la capilaridad y el movimiento lateral y una lámina plástica sobre y por debajo de la línea de goteo para evitar flujo preferencial y precolación, respectivamente (Fig. 4).



Fig.4. Safe-T-Flo®. Diagrama y fotos que muestran sus materiales de construcción. Algunos de los resultados claves de las animaciones de los patrones de mojado, usando WPA©, comparando el goteo normal con el goteo subterráneo puede ser perfilado como sigue: Goteo normal:

• El agua puede ser rápidamente incorporada en el perfil del suelo (textura del suelo arenoso-arcilloso).

• El estado hídrico de la planta mejora rápidamente. Se pueden observar mejoras después de la primera hora de riego con un máximo de –0.6 MPa en la cuarta hora. (Fig. 5a).

• Se crea una columna de agua continua desde la superficie, con una forma paraboloide (Fig. 6a), que permite una rápida evaporación del agua desde el bulbo húmedo después del final de los riegos.

• Un promedio de 6 días pasaron entre el final de los riegos hasta el requerimiento de un nuevo riego (obtenido de los valores ΨX al mediodía) en el peak de la temporada de riego.

Goteo subterráneo Safe T-Flow:

• Incorpora agua en forma lenta en el perfil del suelo (suelo arenoso-arcilloso). • Hay un notable movimiento capilar del agua hacia la superficie. El movimiento lateral del agua

desde el emisor también se ve mejorado. La forma de los patrones de mojado fue tipo salchicha (Fig. 6b), con una distribución del agua más homogénea en la zona de las raíces.

• El estado hídrico de la planta se mejora notablemente después de la tercera hora de riego. Luego, alcanza el mismo valor máximo que el goteo en la cuarta hora (–0.57 MPa) (Fig. 5b). Después de la segunda hora, se visualizaron pérdidas de agua hacia las capas más profundas (datos no mostrados).

• El mantenimiento de una capa seca en la superficie (5cm) aumenta la resistencia del suelo a la evaporación del agua.

• Pasaron un promedio de 15 días entre el final del riego hasta el requerimiento de un nuevo riego (obtenido de los valores de ΨX al mediodía) en el peak de la temporada de riego.

Fig. 5. Cambios en el estado hídrico de la vid (cv. Syrah) utilizando goteo normal (a) y goteo subterráneo (b) para un caso de riego individual.

-1.20

-1.00

-0.80

-0.60

-0.40

-0.20

0.001:00 2:00 3:00 4:00 5:00

Time

SW

P (K

Pa)

Drip non-irrigated Drip 100%

-1.20

-1.00

-0.80

-0.60

-0.40

-0.20

0.001:00 2:00 3:00 4:00 5:00

Time

SWP

(KPa

)

Safe T-Flo non-irrigated Safe T-Flo 100%



Otros avances WPA© Gracias a un proyecto ARC Linkage (Australian Research Council), ganado recientemente por los autores, se realizará otra investigación utilizando sondas que miden humedad del suelo y salinidad, recientemente desarrolladas por Sentek Pty. Ltd. (TriScan®). Estas sondas poseen una capacidad de medición doble que les permite medir simultáneamente la humedad volumétrica y la conductividad eléctrica del suelo. El proyecto de la ARC Linkage, titulado: “Descifrando los vínculos entre la transpiración de la planta, humedad de suelo y el movimiento de nitrato (NO3-): impacto de alta concentración de CO2 atmosférico y la estrategia de riego”, tiene como propósito estudiar los vínculos entre las tasas de transpiración de la planta (utilizando sondas de flujo savial) y el flujo de agua y de nitrato (NO3

- ) en el suelo. Este estudio será realizado en vides regadas utilizando goteo convencional y

PRD. WPA© será mejorado para visualizar los patrones de mojado y los patrones de movimiento de nitrato en el suelo, que pueden ser correlacionados con las tasas de transpiración, a fin de evaluar el flujo de masa en el continuo suelo – planta - atmósfera. Esta investigación conducirá a una mejor comprensión de este proceso y a mejores prácticas de riego y fertirrigación. Conclusiones Las dos preguntas más importantes en lo que respecta a la programación de riego de vides bajo RDI y PRD pueden ser respondidas utilizando una combinación de técnicas (estado hídrico de la vid y evaluaciones del patrón de mojado en el suelo). “Cuándo regar” puede ser respondida mediante el monitoreo del estado hídrico de la planta (ΨX), y “cuánto regar” utilizando la técnica de patrón de mojado del suelo descrita en este artículo. El patrón de mojado del suelo y las mediciones del contenido volumétrico del agua son indicadores precisos de la disponibilidad de agua en el suelo, que puede ser correlacionado con el estado hídrico de la planta para lograr una programación de riego precisa. La distribución de las sondas de humedad del suelo en campo y WPA© pueden ser herramientas poderosas y prácticas para visualizar las complejas formas y dimensiones de SWP en cada evento de riego, caracterizar patrones de mojado en diferentes tipos de suelo y determinar el mejor posicionamiento de una sonda individual con respecto a la planta y fuente de agua. El uso de esta técnica podría prevenir pérdidas de agua en las capas de suelo que se encuentran fuera de la zona de raíces, maximizando, en este sentido, la aplicación de agua y la eficiencia de captación de la planta. Referencias Bibliográficas

Davies, W.J., Wilkinson, S. and Loveys, B.R. 2002. Stomatal control by chemical signalling and the exploitation of this mechanism to increase water use efficiency in agriculture. New Phyt., 153: 449-460.

Lafolie, F., Guennelon, R. and Van Genuchten, M. Th. 1989. Analysis of water flow under trickle irrigation: Theory and numerical solution. Soil Sci. Soc. Am. J. 53: 1310-1318.

Reid, J.B. and Huck, M.G. 1990. Diurnal variation of crop hydraulic resistance: a new analysis. Agronomy Journal, 82: 827-834.

Fuentes S., Rogers G., Conroy J., Ortega – Farias S., Acevedo C. 2003. “Soil Wetting Pattern Monitoring as a Key Factor for Water Use Efficiency on Grapevines”. Acta Hort. In Progress.

Sholander, P.F., Hammel, H.T. Hemmingsen, E.A., Bradstreet, E.D. 1964. Hydrstatic Pressure and Osmotic Potential in Leaves of Mangroves and Some Other Plants. Proc. of the Nat. Academy of Sc. USA 52: 119:125.

Sigfredo Fuentes obtuvo un BSc en Agricultura mencion Fruticultura y Horticultura y el titulo de Ingeniero

Agronomo en la Universidad de Talca (Chile). Actualmente esta terminando su Doctorado en CHAPS



(Universidad del Oeste de Sydney) – Australia. Con 4 anos de experiencia en investigacion en Riego en Chile y cuatro anos en la Industria de Riego en Australia.

Este artículo fue publicado en 32nd Annual Technical Issue (2004) del The Australian & New Zealand Grapegrower & Winemaker, www.grapeandwine.com.au



Gotero

Fig. 6a: SWP obtenido utilizando WPA© de un sistema de riego por goteo normal (2 goteros/planta a 2 L/H) en viñedos (cv. Syrah). Las imágenes fueron extraídas por hora, siendo la 1ª antes del riego y la última a la 5ª hora de riego. Las imágenes fueron obtenidas de sondas orientadas N-S (a lo largo de la línea de goteo). Ver Fig. 1. El eje X corresponde a la profundidad (cm), eje Y a la distancia desde el tronco de la vid (cm), la humedad del suelo está expresada en mm.



Safe T-Flo® Gotero

Fig. 6b: SWP obtenido usando WPA© de un sistema de riego por goteo subterráneo (4 goteros/planta a 1.0 L/H) en viñedos (cv. Syrah). Las imágenes fueron extraídas por hora, siendo la 1ª antes del riego y la última en la 5ª hora de riego. La línea de goteo fue enterrada a 25 cm de profundidad. Las imágenes fueron obtenidas de sondas orientadas N-S (a lo largo de la línea de goteo). Ver Fig. 1. Las imágenes muestran el desempeño de un solo gotero (con la mitad de agua aplicada, cuando se compara con la Fig. 6a). Humedad del suelo expresada en mm.

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