ESTIMACIÓN DE LA BIOMASA NETA (Bn) DE UN CULTIVO

I. INTRODUCCIÓN

En el futuro para poder realizar estudios sobre nuestro cultivo, ubicado en una parcela en el observatorio Alexander Von Humboldt, UNALM, será necesario poder calcular de manera rápida parámetros tales como la velocidad máxima de producción de biomasa, o la biomasa neta del cultivo, los cuales nos permitirán evaluar de forma objetiva el crecimiento de nuestro cultivo, contrastando el crecimiento optimo que debió haber presentado con el crecimiento real dado en campo lo largo de la practica. Esto obtenido gracias a datos diarios que serán tomados en la estación y computados con los criterios adecuados de acuerdo al cultivo.

II. OBJETIVOS Cuantificar la radiación PAR (Qsv) en días claros y su variabilidad temporal para el mes

inicial del cultivo. Cuantificar la biomasa neta del cultivo de frijol sembrado el 2008 en La Molina.

III. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

Espectro solar y radiación fotosintéticamente activaEl 99% de la radiación solar es de onda corta (0.15 a 4.0 µ) la cual comprende:

Espectro ultravioleta (λ < 0.4 µ) 9%Espectro visible (λ < 0.4 < 0.7 µ) 45%Espectro infrarrojo (λ > 0.7 µ) 46%

Espectro solar

La radiación solar que llega a La Tierra abarca gran parte del espectro electromagnético, del cual, la radiación luminosa es sólo una pequeña parte, que comprende desde los 400 a los 700 nm. Esta franja se conoce como espectro visible y, para los organismos fotosintéticos, es la radiación fotosintéticamente activa (PAR, photosynthetic active radiation).El ojo humano tienen sensibilidad entre 0.39 a 0.78 µm; las curvas espectrales de la absorción de la radiación solar por parte de las plantas indica una súbita caída a partir de los 7 a 1.4 µm, lo cual indica que el espectro visible de interés es del intervalo de 0.4 a 0.7 µm.

Cantidad de energía emitida por el sol en el espectro visible

Qv=As∑0.4

0.7

E λi

Donde:As, es el área del sol (4п (Rs)2) en la que Rs=6.965*108 m, y Rs, es la energía monocromática emitida por el sol a la temperatura de 6000 K, cuyos valores están dados por la ley de Plank.Después de usar el método de Simpsom, se determina que la emisión solar total en el espectro visible por unidad de área es:

∑0.4

0.7

E λi=27620586.1Wm2

Y la energía emitida por toda la superficie del sol es:

Qv=As∑0.4

0.7

E λi=16.84×1025W

La energía promedio (Sv) del espectro visible en el límite exterior de una esfera cuyo centro es el sol y cuyo radio es la distancia media sol-tierra igual a dm=1.15*107km, está dada por la expresión:

Sv=( Rs/dm )2∑0.4

0.7

Eλi

Reemplazando el valor del radio del sol Rs y la distancia media dm, el cuadrado de la relación puede expresarse como:

( Rs/dm )2=2.1647× 10−5

Luego tenemos que:

Sv=51.662MJ

m2 día

La densidad de energía del espectro visible (Qsv) en la superficie horizontal sin masa atmosférica, desde la salida hasta la puesta del sol, es:

Qsv=458.37Svn [ Hsen ( L ) sen (δ )+cos ( L ) cos (δ ) sen(H )] MJ

m2 día

Biomasa Neta (Bn)Es la materia seca total de la planta y la materia seca de la parte económicamente útil que puede ser producido por cultivos sanos con un suministro adecuado de agua y nutrientes, es decir, los valores representan el máximo de un cultivo puede producir, cuando las adversidades agronómicas y otros factores que reducen el rendimiento son mínimos.

En este trabajo, para un AIF=5 y N días después de la siembra la biomasa neta está dada por:

Bn= 0.36× bgm× N(1+0.25CT ×N )

Donde:CTEs una constante que depende de la temperatura media del aire (T), en Celsius, y su expresión es la siguiente:

CT=C30¿

C30=0.0283 , paraleguminos as;C30=0.0108 , paraotras especies

El término bgm, es la velocidad máxima de producción de biomasa bruta para un cultivo de IAF=5 y valido para Pm = 20Kg CH2O (ha.hr). Pm es la velocidad máxima de fotosíntesis de una hoja simple, y esta velocidad depende de la temperatura.Tenemos dos situaciones para el cálculo de bgm

a) Pm>20 Kg CH2O /ha.hr; IAF =5

bgm=F .bo (1+0.025 (Pm−20 ))+bc .(1−F)(1+0.01(Pm−20))

b) Pm<20 Kg CH2O /ha.hr; IAF =5

bgm=F .bo (1+0.025 (20−Pm ))+bc .(1−F)(1+0.01(20−Pm))

En dichas expresiones F es un parámetro indicador del grado de cobertura del cielo debido a las nubes y se le puede estima en función de Qsv y Qi, dada por la siguiente expresión:

F= PARcPARo

=(Qsv−0.5Qi)

0.8Qsv

Por otro lado, bc y bo son la velocidad de fotosíntesis bruta (kg/ha.día) de, un cultivo, respectivamente, en días claros y completamente cubiertos, para PM = 20 kg CH2O/ha.hr. Sus valores se presentan en un cuadro como función d latitud y meses.Para el cálculo de PM recurrir a la figura Pm vs Tmd, donde la temperatura media del periodo diurno está en función de las temperaturas extremas máxima (Tx) y mínima (Tm), temperatura media (T) y el fotoperiodo (N), dada por la expresión siguiente:

Tmd=T+[ (Tx−Tm )(11+¿)12.56 .(12−¿) ] . sen [3.1416(11−¿)

(11+¿) ] ¿=(12−0.5 N ) horas; N=duración del día(horas)

IV. MATERIALES

Datos de Qi, T máx, T mín y T media del mes de diciembre del 2008 del Observatorio Alexander Von Humboldt.

Programa FORTRAN. Software Excel. Grafico de la relación promedio entre la velocidad máxima de fotointesis (Pm) de una

hoja simple y la temperatura diurna promedio (Tmd) en los grupos de cultivo I, II, III, IV.

Cuadro de las velocidades de fotosíntesis bruta (Kg/ha.día) de un cultivo en días claros (bc) y en días completamente cubiertos (bo), para Pm =20 Kg CH2O/ha.hr

V. MÉTODOS1. Se implementó en FORTRAN el Código fuente para poder calcular la velocidad máxima

de producción de biomasa bruta (bgm) y la Biomasa Neta (Bn) a partir de las fórmulas presentadas anteriormente.

2. Una vez obtenidos los resultados procedimos a realizar los análisis haciendo uso de los gráficos que se obtuvieron de la salida del programa.

VI. RESULTADOS

IMPLEMENTACIÓN DEL CÓDIGO FUENTE EN FORTRAN

CORRIDA DEL PROGRAMA:

RESULTADOS OBTENIDOS

DÍAQsv

(MJ/día)Tmd(°C) bgm Bn

1 25170.59 19.50685 252.4238 0.00E+002 25175.38 19.5315 252.4131 90.567863 25179.98 19.59926 253.0686 180.98784 25184.4 19.22408 250.5047 267.94255 25188.66 19.3022 251.1422 357.00076 25192.77 21.33685 263.8187 465.68257 25196.75 19.20211 250.5341 530.76028 25200.61 19.03533 249.2433 614.42659 25204.37 19.92029 254.9549 714.4554

10 25208.04 20.10487 256.2261 804.717211 25211.63 20.07691 256.2182 891.0666

12 25215.14 19.72746 253.6989 968.141413 25218.59 19.98502 255.5967 1059.67514 25222 20.74106 260.0206 1160.5415 25225.35 20.53758 258.7517 1240.67816 25228.66 21.11061 262.5446 1340.66517 25231.94 20.95212 261.9012 1422.66918 25235.18 21.24419 263.1785 1510.59819 25238.39 20.47116 258.7553 1573.88720 25241.58 20.92515 261.2779 1667.78321 25244.73 21.19466 263.1782 1759.2522 25247.85 20.96465 268.86 1883.01523 25250.94 21.72316 266.3418 1937.45724 25253.98 21.40512 264.4326 2008.48425 25256.99 20.15364 256.8606 2044.5826 25259.95 20.64308 260.0164 2142.40527 25262.86 20.55805 267.6114 2285.12428 25265.7 20.93049 261.2892 2303.51229 25268.46 21.26991 263.8191 2395.59530 25271.15 20.22184 256.8588 2428.71331 25273.74 20.89678 261.2888 2533.918

GRAFICO 1: Densidad de Energía del Espectro Visible (Qsv) diario para el mes de Diciembre

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 131415 161718 1920 212223 2425 262728 2930 3125100

25120

25140

25160

25180

25200

25220

25240

25260

25280

25300

Qsv

Día

Qsv

(MJ/

día)

GRAFICO 2: Densidad de Energía del Espectro Visible (Qsv) diario vs la Temperatura Media (Tmd)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223242526272829303125100

25120

25140

25160

25180

25200

25220

25240

25260

25280

25300

17.5

18

18.5

19

19.5

20

20.5

21

21.5

2221.72316

Qsv vs. tmd

Qsv

Tmd

Día

Qsv

(MJ/

día)

GRAFICO 3: Densidad de Energía del Espectro Visible (Qsv) diario vs la Velocidad Máxima de Producción de Biomasa Bruta (bgm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920212223242526272829303125100

25120

25140

25160

25180

25200

25220

25240

25260

25280

25300

235

240

245

250

255

260

265

270

275Qsv vs. bgm

Qsvbgm

Día

Qsv

(MJ/

día)

GRAFICO 4: Densidad de Energía del Espectro Visible (Qsv) diario vs la Biomasa Neta (Bn)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 3025100

25120

25140

25160

25180

25200

25220

25240

25260

25280

25300

0.00E+00

5.00E+02

1.00E+03

1.50E+03

2.00E+03

2.50E+03

3.00E+03Qsv vs. Bn

QsvBn

Día

Qsv

(MJ/

día)

VII. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

En el gráfico 1 se observa que la Densidad de Energía en el espectro visible aumenta diariamente, esto es debido a que el mes en estudio es Diciembre y es un mes de transición entre las primavera y el verano, por lo que, la radiación global (Qi) va en aumento y consiguientemente el Qsv también. si estuviéramos en otros meses, como Abril, la curva de Qsv sería diferente, pues tendría una pendiente negativa, lo cual indica que la radiación va disminuyendo. Esto se cumple para la ubicación geográfica en la que nos encontramos.

Tanto en el gráfico 2 como en el gráfico 3 se observa que la tendencia de Qsv, la Temperatura media del día solar y, la Velocidad Máxima de Producción de Biomasa es creciente a medida que transcurren los días, pues están relacionadas directamente ya que la velocidad depende del Parámetro Indicador del grado de cobertura del cielo (F) que a su vez depende de la radiación solar visible y global y la Tmd depende de las temperaturas extremas y de la media y como sabemos la temperatura está directamente relacionada con la relación.

En el gráfico 4, se observa que existe una relación directa entre el Qsv y Bn, Esta relación es lógica porque cuando se dispone de una mayor densidad de energía en el Espectro Visible (que las plantas utilizan par realizar la fotosíntesis) la producción de materia seca será mayor. Sin embargo, según revisión bibliográfica del tema, este comportamiento solo se presenta hasta

llegar a un valor umbral sobre el cual la planta seguirá produciendo lo mismo independientemente de cuanto Qsv le llegue, incluso existen valores de Qsv con los que la planta llegará a saturarse y su producción empezará a disminuir. En el caso en estudio no se llegó a ese umbral.Asimismo, si se justifica hacer estimaciones diarias de la biomasa neta (Bn) dado que los gráficos presentados anteriormente muestran una clara variación temporal que la curva de la biomasa neta (Bn), porque si promediamos dicho valor, mensualmente, éste sería un falso indicador de la verdadera biomasa neta, producida por el cultivo. Asimismo, la producción de una planta estará en función de la fotosíntesis que realice, y esta se incrementará con forme la planta absorba radiación solar fotosintéticamente activa (cuando aún no ha llegado a su umbral) y el mes de diciembre es un mes de transición entre la primavera y el verano, donde para nuestra latitud, los días empezaran a ser claros y la radiación pasará con más libertad (sin ser reflejada ni dispersada) por lo que la biomasa neta se incrementará, tal como lo muestran los resultados obtenidos.Por otra parte, no creemos que sea posible estimar la biomasa neta actual (Bn) ACTUAL porque esta depende de bgn que a su vez depende del parámetro F y para calcular éste último tenemos que tener datos de Qsv y Qi (que son acumulados diarios); demás, la Bn también está en función de N que es la duración del día en horas. Es decir, se puede estimar la biomasa neta diaria, pero no la biomasa neta en una hora o instante determinado, pues para su cálculo se requieren datos diarios.

VIII. CONCLUSIONES1. Para la estimación de Bn primero debemos tener claro el tipo de cultivo en estudio pues

la velocidad máxima de fotosíntesis (Pm), parámetro que interviene en el cálculo de Bn, es diferente para los diversos tipos de planta.

2. Tener presente el tipo de cultivo, su clasificación como planta C3, C4 o CAM es importante y especie es fundamental, pues también es necesario para identificar el valor de C30.

3. En el mes de diciembre, el Qsv aumenta a medida que transcurren los días debido a que este es un mes en el que empieza el verano en nuestro hemisferio

4. La estimación de la Bn, no puede ser instantánea, pues para su cálculo requieren datos diarios y acumulados diarios.

IX. REFERENCIAS

1. García Villanueva, Jerónimo. AGROMETEOROLOGÍA: Energía y agua en la agricultura.

UNALM. Lima 1990.

2. FOTOSÍNTESIS: CAPTACIÓN DE LA ENERGÍA LUMÍNICA.

http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/bolarios/FisioVegetal/TeoriaFisioVegetal/

Resumenes/tema9.htm