Sistema de apoyo a la toma de decisiones basado en el modelo VegSyst para calcular la [N] en fertirriego en tomate de invernadero

M. Gallardo, R.B. Thompson y F.M. Padilla (Departamento de Agronomía de la Universidad de Almería)30/06/2014

En el sistema de cultivo intensivo bajo invernadero del SE español, declarado como zona vulnerable a la contaminación por nitratos, existen requerimientos legislativos para reducir la contaminación por NO3-, asociada principalmente a la intensidad del sistema y al manejo del N basado en recetas estándar y escasa planificación o monitorización (Thompson et al., 2007). Los sistemas de ayuda a la toma de decisiones ('Decision Support Systems', DSS) basados en modelos de simulación de cultivos son herramientas muy adecuadas para planificar el abonado N, permitiendo realizar un abonado de acuerdo a las necesidades del cultivo y presentando la flexibilidad de responder a factores como el clima, ciclo de cultivo, y tipo de manejo.

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Una característica importante de los DSS es su simplicidad para que puedan ser fácilmente adoptados por agricultores o técnicos. El VegSyst-DSS ha sido desarrollado para asistir con el manejo del riego y abonado N en cultivos hortícolas de invernadero y se basa en el modelo de simulación VegSyst y en un balance de N diario (Gallardo et al., 2014). VegSyst es un modelo de simulación basado en tiempo térmico que determina la producción estacional de biomasa, la extracción de N y la evapotranspiración (ETc) de cultivos hortícolas (Gallardo et al., 2011). En este trabajo se presentan datos de la calibración del modelo VegSyst en tomate y su validación en cultivos con ciclos y medios de cultivo diferentes al de calibración. Además, usando la herramienta DSS-VegSyst, se presenta un análisis teórico de escenarios representativos de prácticas locales para calcular la [N] de la solución de fertirriego y la cantidad de fertilizante N.

Material y métodos

El modelo VegSyst se calibró en tomate de invernadero (Solanum Lycopersicum L.) con datos de un cultivo de tomate en suelo y ciclo otoño-invierno y se validó con datos de 5 cultivos de tomate diferentes, tres en suelo (dos de ciclo de primavera y uno de otoño-invierno) y dos en sustrato (ciclos de primavera y de otoño). Los ensayos se realizaron en dos invernaderos de plástico en Almería, uno localizado en la Estación Experimental UAL-Anecoop en suelo y el otro en la Estación Experimental de Las Palmerillas, Cajamar con lana de roca como sustrato. Se dispuso de riego por goteo y los nutrientes se aplicaron mediante fertiriego, siendo los cultivos representativos de las prácticas locales y no deficitarios en N. En estos cultivos se realizaron determinaciones periódicas de materia seca incluyendo el material de poda y los frutos recolectados, evapotranspiración (ETc) mediante balance de agua, extracción estacional de N por el cultivo y parámetros climáticos. VegSyst es un modelo simple de cultivo que simula la producción de biomasa a partir de estimaciones diarias de la radiación PAR interceptada por el cultivo; a partir de la biomasa simula la extracción de N y usando la metodología FAO calcula la ETc.

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El modelo ha sido desarrollado para cultivos hortícolas de invernadero asumiendo que no hay limitaciones de agua o nutrientes. El modelo requiere para simular solamente datos climáticos diarios dentro de invernadero (temperatura, humedad y radiación solar) pudiéndose usar datos climáticos históricos para un uso predictivo. La descripción detallada del modelo VegSyst se presenta en Gallardo et al., (2011) y Giménez et al., (2013) y los parámetros de calibración del tomate en Gallardo et al., (2014). Se desarrolló un prototipo de sistema de ayuda a la toma de decisiones ('Decision Support System', DSS) basado en el modelo VegSyst para el manejo del riego y la fertilización N. El DSS realiza un balance de N diario teniendo en cuenta el N disponible en el suelo (N mineral en suelo en trasplante y N mineralizado desde el estiércol aportado y materia orgánica del suelo), la demanda de N por el cultivo (extracción de N simulada con VegSyst) y la eficiencia del uso de los fertilizantes N (ver Gallardo et al., 2014 para una descripción detallada del DSS). Además, incorpora un balance diario de agua que calcula las necesidades de riego considerando la ETc diaria simulada, la CE del agua y la eficiencia de la instalación de riego.

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El DSS calcula la dosis bruta de riego, la cantidad de fertilizante N diario y la [N] semanal de la solución nutritiva. En la Figura 1 se presenta un resumen esquemático del DSS y en la Figura 2 la integración entre el modelo VegSyst y el DSS. En este estudio y usando el VegSyst-DSS, se calcularon las necesidades de fertilizante N y la [N] de la solución de fertirriego en 4 escenarios en un cultivo hipotético de tomate de invernadero (ciclo 15 agosto al 15 enero), usando datos climáticos de una serie histórica. Los 4 escenarios, representativos de distintas situaciones de suelos de invernaderos del SE español se describen en la tabla 1 y fueron: 1) cultivo sin ningún aporte de N desde el suelo, 2) suelo con 200 kg ha-1 de N mineral en trasplante, 3) suelo con 200 kg ha-1 de N en trasplante y una aplicación de estiércol (100 m2 ha-1) 60 días antes del trasplante y 4) suelo con 400 kg N ha-1 en trasplante. En todos los escenarios se asumieron valores de eficiencia idénticos.

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Figura 1: Diagrama esquemático del sistema de apoyo a la toma de decisiones VegSyst-DSS.

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Figura 2: Modelo de simulación VegSyst y sistema de apoyo a la toma de decisiones VegSyst-DSS.

Resultados y discusión

La validación del modelo VegSyst con datos de 5 ensayos diferentes de tomate puso de manifiesto que el modelo permitió una excelente simulación de valores estacionales de materia seca (datos no presentados), N extraído por el cultivo y ETc (Figura 3), estando los valores distribuidos en torno a la línea 1:1 siendo la pendiente y el intercepto no significativamente (P<0,05) diferentes de 1 y 0 respectivamente (línea 1:1). Las pendientes de las regresiones entre valores simulados y medidos fueron de 1,02 y 1,0 para extracción de N y ETc respectivamente. Estos resultados, junto a los trabajos previos de Gallardo el al., (2011) y Giménez et al., (2013) en melón y pimiento sugieren que VegSyst es un modelo de simulación robusto para cultivos hortícolas de invernadero que se adapta a distintas especies, y en el caso de tomate a distintos medios de cultivo (suelo y sustrato), y a distintos ciclos de cultivo (primavera y otoño-invierno).
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Figura 3: Relación entre valores simulados y medidos de N extraído por el cultivo (a) y ETc (b). Se presentan datos de 4 cultivos de tomate en suelo en ciclos de primavera y de otoño-invierno. Se presentan las ecuaciones de regresión linear ajustadas y los coeficientes de determinación R2. La línea solida representa la línea 1:1.
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Figura 4: Evolución a lo largo del ciclo de cultivo de valores semanales de concentración de N (mmol L-1) en la solución de fertirriego a aplicar en los 4 escenarios comparados. DTT indica días después de trasplante. La línea horizontal discontinua representa la concentración estándar usada por agricultores locales. Escenario 1, sin N en suelo, escenario 2, 200 kg ha-1 de N mineral en suelo en trasplante, escenario 3,200 kg ha-1 N mineral en suelo y 100 m3 ha-1 de estiércol aplicado al suelo 60 días antes del trasplante, escenario 4,400 kg ha-1 de N mineral en suelo.

En la tabla 1 se presentan los aportes brutos y netos de N desde el suelo calculados con el DSS para cada uno de los 4 escenarios comparados. En los escenarios 2 y 4 se consideró el N mineral en trasplante y el mineralizado desde la materia orgánica del suelo mientras que en el escenario 3 se consideró el N mineral del suelo y el N mineralizado desde el estiércol aplicado. También se presenta en la tabla 1, la cantidad de fertilizante N recomendado en cada caso y la [N] de N promedio para todo el ciclo en el ciclo. En la figura 4 se presenta la evolución estacional de [N] en solución recomendada en cada escenario. El escenario 1, sin N desde el suelo tuvo una [N] recomendada de 13.2 mmol L-1 y de fertilizante de 463 kg N ha-1, similar a la aplicada en fincas comerciales (Figura 4, Tabla 1). La [N] a aplicar fue disminuyendo en los escenarios 2, 3 y 4 en relación al escenario 1, al considerar otras fuentes de N adicionales al fertilizante, con valores promedio de [N] de la solución de 7,7, 5,8 y 3,4 mmol L-1 en los escenarios 2, 3 y 4 (Tabla 1). En la Figura 5 se presentan gráficamente las recomendaciones de abonado N usando el VegSyst-DSS para los 4 escenarios comparados. Para cada escenario se presentan datos de N extraído por el cultivo, N aportado desde el suelo y N que se recomienda aplicar como fertilizante mineral. En relación al escenario 1, las cantidades de fertilizante N recomendadas en los escenarios 2, 3 y 4 fueron respectivamente de 34, 48 y 65% de las del escenario 1 (Figura 5).

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Tabla 1: Análisis de escenarios usando VegSyst-DSS. El N extraído por el cultivo fue 324 kg ha-1 en todos los escenarios. Aportes y recomendaciones de N en kg ha-1.

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Figura 5: Recomendaciones de abonado N usando el VegSyt-DSS para los 4 escenarios comparados. Para cada escenario se presentan datos de N extraído por el cultivo, N aportado desde del suelo y N que se recomienda aplicar como fertilizante mineral N.

En invernaderos del SE de España se realizan aplicaciones de estiércol de 1.000-1.500 kg N ha-1 (Thompson et al., 2007) que no son consideradas en la planificación del fertirriego; igualmente, los suelos pueden tener cantidades elevadas de N mineral en trasplante que tampoco son considerados en el manejo comercial. En este trabajo se muestra como la programación del abonado N en función de las necesidades reales de N del cultivo, simuladas con el modelo VegSyst y la consideración de los distintos aportes de N desde el suelo permiten una reducción apreciable en la cantidad de fertilizante N aplicado en escenarios representativos de las prácticas de fincas comerciales. Para implementarlo a nivel de finca sería recomendable verificar estos programas de fertilización con una monitorización del N en finca.

Referencias bibliográficas

  • Gallardo, M., Giménez, C., Martínez-Gaitán, C., Stöckle, C.O., Thompson, R.B. and Granados, M.R. 2011. Evaluation of the VegSyst model with muskmelon to simulate crop growth, nitrogen uptake and evapotranspiration. Agr. Water Manage. 101:107–117.
  • Gallardo, M., Thompson, R.B., Giménez, C., Padilla, F.M., and Stöckle, C.O. 2014. Prototype decision support system based on the VegSyst simulation model to calculate crop N and water requirements for tomato under plastic cover. Irrig. Sci. 32:237-253.
  • Giménez, C., Gallardo, M., Martínez-Gaitán, C., Stöckle, C.O., Thompson, R.B., and Granados, M.R. 2013. VegSyst, a simulation model of daily crop growth, nitrogen uptake and evapotranspiration for pepper crops for use in an on-farm decision support system. Irrig. Sci. 31:465–477.
  • Thompson, R.B., Martínez-Gaitán, C., Gallardo, M., Giménez, C., and Fernández, M.D. 2007. Identification of irrigation and N management practices that contribute to nitrate leaching loss from an intensive vegetable production system by use of a comprehensive survey. Agr. Water Manage. 89:261–274.

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