Estimación de las necesidades hídricas del trigo mediante radiometría térmica y balance de energía

En este trabajo se propone la utilización de un modelo de balance de energía de dos fuentes que, junto con medidas de la temperatura de la superficie, proporcione valores horarios y diarios de la evapotranspiración real del cultivo de trigo (ET_c). Para ello se realizó un experimento en la campaña de 2014 sobre una plantación de trigo situada dentro de la finca experimental ‘Las Tiesas’ (Barrax, Albacete). Se midieron temperaturas del suelo y de la vegetación, además de variables meteorológicas y parámetros biofísicos. Los resultados se compararon con las medidas de un lisímetro de pesada instalado en la parcela. El valor de ETc acumulado para toda la campaña fue solo un 4% inferior al valor medido en el lisímetro. Además, el porcentaje entre la componente evaporativa (E) y transpirativa (T) fue de 36%-64% para el total de la campaña.

El trigo es uno de los cultivos más importantes a nivel mundial, cubriendo una extensión de 218 millones de ha en 2013. Dentro del ámbito de la Unión Europea (UE) se cultivaron más de 25 millones de ha de trigo en 2013, dando lugar a una producción de 143,3 millones de toneladas, lo que supone aproximadamente el 20% de la producción mundial. España es el quinto país productor dentro de la UE, con una extensión de 2,1 millones de hectáreas y una producción de 7,6 millones de toneladas (FA0 2014). Castilla y León es la región española con la mayor superficie cultivada de trigo (entorno a 780.000 ha), seguida por Castilla-La Mancha, con una extensión de más 320.000 ha (MAGRAMA 2014).

Conocer las necesidades hídricas del trigo, pasa por disponer de un buen conocimiento de la evapotranspiración. Lo más habitual y extendido para realizar un balance de agua entre el suelo y la planta, o estimar las necesidades hídricas del cultivo, es el uso del método conocido como FAO-56 (Allen et al. 1998). De acuerdo con la metodología de FAO-56, la evapotranspiración real del cultivo se estima combinando la evapotranspiración de referencia (ET_o) y los coeficientes de cultivo. Existen dos versiones del método FAO-56: la técnica del coeficiente de cultivo único, y la del coeficiente de cultivo dual. La primera se usa para expresar conjuntamente la transpiración de la planta y la evaporación del suelo a través de un coeficiente de cultivo (K_c). La técnica del coeficiente de cultivo dual consiste en utilizar dos coeficientes de cultivo distintos para representar la contribución de la planta (K_cb) y de la evaporación del suelo (K_e) (Allen et al. 1998). La técnica del coeficiente de cultivo dual puede mejorar la precisión en la estimación de ET_c cuando se dispone de una calibración previa adecuada de dichos coeficientes. Esta técnica se ha aplicado y explorado bajo una gran variedad de condiciones climáticas alrededor de todo el mundo (López-Urrea et al. 2009; Howell et al. 2012). Estos autores coinciden en que los valores de los mencionados coeficientes de cultivo pueden servir como punto de partida para la programación del riego, pero también destacan la necesidad de una corrección de estos coeficientes para ajustarlos a las condiciones locales para evitar los errores importantes que se pueden presentar debido a su naturaleza empírica.

Este estudio se centra en un experimento llevado a cabo entre los meses de febrero y junio de 2014, en la finca experimental de ‘Las Tiesas’ (2º 5´W, 39º 3´N, 695 m altitud) situada en la provincia de Albacete. Se trata de una zona semiárida, caracterizada por un clima Mediterráneo templado. La zona concreta de estudio es una parcela de 100 x 100 m² que cuenta con un lisímetro de pesada (2,7 m largo, 2,3 m ancho y 1,7 m profundidad) instalado en el centro de la misma, con una resolución de 0,04 mm en equivalente de agua. Los lisímetros de pesada siguen siendo en la actualidad la técnica más precisa para la medida directa de la ET de los cultivos (Howell et al. 1995), si bien es cierto que su instalación y mantenimiento hace poco viable su uso extendido y operativo, quedando éste limitado a parcelas experimentales con fines de investigación.

El trigo (Triticum aestivum L. cv. ´Califá) se sembró el 4 de febrero con una separación entre filas de plantas de 15 cm y una población de semillas de 550 semillas por metro cuadrado (Fig. 1). Se realizó un esfuerzo para mantener el trigo dentro de los límites del lisímetro en el mismo estado de desarrollo y crecimiento que el cultivo en la parcela de protección. La parcela contaba con un sistema automatizado de riego por aspersión mediante cobertura total enterrada, con un marco de aspersores de 15 x 12,5 m que permite suministrar una pluviometría de 8,6 mm h^-1. A lo largo de toda la duración del experimento el trigo se mantuvo bien regado, evitando condiciones de estrés hídrico en todo momento.

Se realizaron medidas de proporción de vegetación (P_v) y altura de la planta, en tres zonas diferentes y de forma periódica. En cuanto a los radiómetros, se emplearon tres radiómetros de infrarrojo térmico (IRT) Apogees SI-121 (Apogee Instruments, Logan UT, USA). Se trata de instrumentos térmicos de banda ancha (8-14 µm) con una precisión de ± 0,2 °C, un campo de visión de 18º, y un intervalo válido de temperaturas entre -30 y 65 °C. Uno de ellos se colocó a una altura de 2 m sobre el perímetro del lisímetro, apuntando a la superficie con una visión desde la vertical y midiendo de esta forma la temperatura efectiva el conjunto (TR). Otro de los radiómetros se colocó a una altura de 20 cm directamente apuntando al suelo entre dos filas de plantas (Fig. 1) para registrar la temperatura del suelo (T_s). La temperatura de las plantas (T_c) se calculó a partir de T_R y T_s, empleando la información de P_v.

Todas las temperaturas se sometieron al proceso de corrección atmosférica y de emisividad. Para la corrección atmosférica se empleó un tercer Apogee, colocado apuntando al cielo con un ángulo de 53º respecto a la vertical. Las medidas de temperatura comenzaron el día 42, una semana después de la siembra, y se extendieron hasta el final del desarrollo fenológico del trigo. Se midieron las siguientes variables meteorológicas: la temperatura y humedad relativa del aire (sensor HMP50), la velocidad del viento (anemómetro modelo A100R), la radiación solar (sensor CM14) y la radiación incidente de onda larga (sensor CG2), y también se registraron medidas de radiación neta (sensor NR-Lite) instalado sobre el perímetro del lisímetro. Todos los datos se almacenaron cada 15 minutos, haciendo uso de un datalogger CR-1000 (Campbell Scientific), y posteriormente se promediaron a escala horaria y diaria.

El punto de partida de los modelos de balance de energía es la estimación de LE como un término residual de la ecuación de balance de energía en el sistema suelo-vegetación-atmósfera:

R_n = H+LE+G (1)

donde R_n es la radiación neta, H es el flujo de calor sensible, G es el flujo de calor en el suelo, y LE es el flujo de calor latente, directamente relacionado con ET_c. La configuración de dos fuentes, dentro de los modelos de balance de energía, permite establecer un balance energético completo entre la atmósfera y cada componente de la superficie. En este trabajo se emplea una versión simplificada de la configuración de dos fuentes del balance de energía (STSEB) (Sánchez et al. 2008). De acuerdo con esta versión (Fig. 2), las componentes evaporativa (E) y transpirativa (T) se pueden estimar como:

T=P_v (R_nc-H_c) (2a)

E= (1-P_v)(R_ns-H_s- G/(1-P_v)) (2b)

donde H_s y H_c, son las contribuciones del suelo y la vegetación al total del flujo de calor sensible, respectivamente, y P_v es la fracción de cubierta vegetal. Hs y Hc se obtienen a partir de las medidas de las temperaturas T_s, y T_c, además de variables meteorológicas e información de la altura del cultivo. R_nc y Rns son las contribuciones de la vegetación y el suelo, respectivamente, al total de radiación neta, y se obtienen mediante un balance entre la radiación de onda larga y onda corta por separado para cada componente. Finalmente G se puede calcular como una fracción de la contribución del suelo a la radiación neta. Todos los detalles de estas expresiones pueden consultarse en Sánchez et al. (2008).

Una vez registrados y procesados todos los datos necesarios para aplicar el modelo descrito en Sánchez et al. (2014), se procedió al cálculo de todos los términos de la ecuación de balance de energía, y a su promediado a escala horaria. Los valores estimados de ETc, entre -0,2 y 1,2 mm h^-1, se compararon con los valores medidos en el lisímetro. En promedio se obtiene un error cuadrático medio (RMSE) de ±0,11 mm h^-1, reforzado por una desviación sistemática (bias) prácticamente despreciable. Con el fin de observar la evolución de los valores diarios de ETc, estimados y medidos, se ha elaborado la figura 3.

El promedio de ETc diaria se sitúa por debajo de los 3 mm d^-1 hasta finales de marzo, alcanzó su máximo a mediados de mayo con un pico entorno a los 9 mm d^-1, y fue descendiendo durante la fase de maduración hasta mediados de junio. En líneas generales, las estimaciones del modelo reproducen bastante bien los valores de ETc medidos por el lisímetro a lo largo de toda la campaña, . El análisis cuantitativo ofrece una ligera subestimación por parte del modelo de 0,18 mm d^-1 con un RMSE de ±0,8 mm d^-1, y un coeficiente de determinación (r²) de 0,90.

Figura 3. Evolución de los valores estimados y medidos de ET_c diaria para toda la campaña del trigo. También se incluye información de cantidades de lluvia y riego.

Sumando los valores de ET_c diario, y calculando de esa forma el acumulado a lo largo del desarrollo del trigo, el valor total de evapotranspiración para toda la campaña predicho por el modelo es de 500 mm. Este valor resulta solo un 4% inferior al medido directamente por el lisímetro, 520 mm (ver Figura 4). Es interesante destacar que el acuerdo entre los valores medidos y estimados es particularmente bueno para la primera fase de desarrollo del trigo (día juliano<90), ya que estas condiciones de suelo desnudo o baja proporción de vegetación tradicionalmente suponen un desafío para los modelos de balance de energía, o de balance de agua en suelo.

Uno de los puntos fuertes del modelo empleado es que permite la partición de la ET_c total en sus componentes evaporativa y transpirativa. Así pues, se ha llevado a cabo dicha separación para este estudio sobre el trigo. La figura 4 incluye la evolución por separado de E y T. La evaporación domina claramente para coberturas de vegetación por debajo de 0,2 (día juliano<90). El cociente T/E se va incrementando rápidamente, y la transpiración pasa a convertirse en la principal contribución a la ET_c. En términos cuantitativos, el total acumulado de E resultó ser de 180 mm, con aproximadamente la mitad concentrada antes del día juliano 90. Por su parte, el total acumulado de T fue de 320 mm. Esto supone que un 36% del total acumulado de evapotranspiración del trigo corresponde a evaporación del suelo. Estos resultados están de acuerdo con trabajos previos relativos al cultivo del trigo. Por ejemplo, López-Urrea et al. (2009) obtuvieron una componente evaporativa del 24% (135 mm) del total de ET_c.

Figura 4. Valores acumulados de las estimaciones de ET_c, E, y T para toda la campaña del trigo, junto con los valores observados de ET_c, y la cantidad registrada de riego+lluvia.

Para estimar los coeficientes de cultivo K_c se ha calculado el cociente entre las medidas de lisímetro, y las predicciones del modelo, con los valores de evapotranspiración de referencia (ET_o) calculados previamente siguiendo la ecuación de FAO-56 Penman-Monteith (Allen et al. 1998). Los resultados de K_c se muestran en la figura 5a. Los valores representan promedios de 5 días para evitar la dispersión que introducen los eventos de riego. Los valores promedios obtenidos mediante el lisímetro son: K_c-ini: 0,80, K_c-med: 1,18 and K_c-fin: 0,41, mientras que los estimados a través de los cálculos del modelo son: K_c-ini: 0,82, K_c-med: 1,14 and K_c-fin: 0,59. Estos resultados están muy próximos a los obtenidos por López-Urrea et al. (2009) sobre un trigo en la misma zona, empleando medidas de lisímetro: K_c-mid: 1,20 and K_c-end: 0,15. La diferencia en el valor de K_c-fin podría deberse a los valores más altos de ET_c al final de la fase de crecimiento en nuestras medidas, consecuencia del valor relativamente alto de P_v=0,23 todavía reinante en el día juliano 180. De una forma similar, procedimos al cálculo de los coeficientes de cultivo dual K_e y K_cb como los cocientes E/ET_o y T/ET_o, respectivamente. En la figura 5b se muestra la comparación entre los resultados obtenidos y los valores propuestos por FAO-56. Todos ellos corresponden a valores promediados de 5 días. Durante las primeras fases de desarrollo del trigo se observan valores altos de Ke debido a los riegos frecuentes en esas fechas. Durante la fase de reproducción el K_cb aumentó rápidamente hasta alcanzar un pico de 1,10. Los valores promedio de K_cb obtenidos a través de los cálculos STSEB para cada fase resultaron: K_{cb_ini}: 0,05, K_{cb_med}: 1,10 y K_cb-fin: 0,19. Los valores modelados de K_cb son más pequeños que los predichos por FAO-56. En términos de Ke, FAO-56 subestima los valores modelados, principalmente al inicio de la fase de crecimiento. Conviene recordar que la metodología de FAO aplica una serie de parámetros y medidas de campo para predecir la evaporación del suelo, y utiliza algunas suposiciones que pueden conducir a ciertos errores. Además, el coeficiente K_e se ve altamente afectado por la estrategia de riego, el tipo de suelo, la cobertura de vegetación, y las condiciones meteorológicas locales.

En este trabajo se muestra el potencial de las técnicas basadas en la combinación del balance de energía en superficie junto con temperaturas radiométricas para el cálculo de la evapotranspiración de cultivo. Nos centramos en una plantación de trigo de primavera situado en una zona semiárida del centro de la Península Ibérica, pero la metodología sería perfectamente aplicable a cualquier otra variedad de trigo, y bajo cualquier otro tipo de condiciones ambientales y climáticas. La precisión del modelo mejora cuando se trata de calcular los valores acumulados para toda la temporada del trigo, con una desviación de tan solo el 4% (20 mm) sobre el total de los 520 mm medidos en el lisímetro. La separación de ET_c en sus componentes E y T muestra que el 36% del total de ET_c corresponde a la evaporación de agua desde el suelo, con la mayor parte concentrada en la fase inicial cuando los valores de cobertura de vegetación son todavía inferiores al 40%.

Con la metodología presentada también es posible calcular coeficientes de cultivo, único y dual. Los resultados de Kc están de acuerdo con los obtenidos a través de medidas de lisímetro, y con los valores de K_cb y K_e publicados por otros autores sobre trigo. Por tanto, esta técnica se podría emplear en el ajuste local de los valores de K_c propuestos por FAO, como una alternativa en aquellas plantaciones en las que no se disponga de lisímetros de pesada.

Figura 5. Comparación entre los valores de coeficientes de cultivo estimados a través del modelo, los calculados a partir de medidas del lisímetro, y los propuestos por FAO56: (a) K_c, (b) K_e and K_cb.

Agradecimientos

Este trabajo ha sido financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad a través de los proyectos CGL2013-46862-C2-1/2-P (cofinanciado con fondos FEDER) y AGL2014-54201-C4-4-R, y la Generalitat Valenciana con el proyecto PROMETEUII/2014/086. Los autores quisieran agradecer al apoyo logístico en el mantenimiento de la instrumentación de Laura Martínez y Juan A. de la Vara.

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