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Software VegSyst-DSS para calcular la dosis de riego, necesidades de N y la concentración de N en fertirriego en cultivos hortícolas de invernadero

M. Gallardo y R.B. ThompsonDepartamento de Agronomía de la Universidad de Almería18/12/2015
En este artículo se describe el sistema de ayuda a la toma de decisiones VegSyst-DSS diseñado para determinar dosis diarias de riego, abonado nitrogenado (N) y concentración de N ([N] en el fertirriego en los principales cultivos hortícolas de invernadero en Almería. El DSS calcula el riego a partir de estimaciones de la evapotranspiración del cultivo (ETc) con el modelo VegSyst, la uniformidad del sistema de riego y la salinidad del agua; el N se calcula mediante un balance de N diario considerando las extracciones de N simuladas con el modelo VegSyst y las fuentes de N del suelo (N mineral al inicio del ciclo y N mineralizado desde la materia la orgánica del suelo o aplicada). Se presenta una aplicación del DSS en cultivo de pimiento en suelo donde se comparan 3 escenarios de manejo que difieren en la calidad del agua de riego y en las fuentes de N en el suelo. También se incluye un cuarto escenario representativo del manejo del riego y N por los agricultores. El volumen de riego estimado con el DSS dependió de la uniformidad del sistema de riego y de la salinidad del agua de riego. El abonado N se redujo un 45% cuando se consideraron en la programación del abonado las fuentes de N presentes en el suelo que contribuyen a la nutrición del cultivo. Incluso sin considerarse estas fuentes, la [N] en solución que varió de acuerdo al estado de desarrollo del cultivo se redujo considerablemente en el DSS en relación al manejo de los agricultores. Este trabajo demuestra que el uso del VegSyst-DSS en pimiento permite reducir considerablemente la concentración de N en la solución de fertirriego y por tanto conlleva un ahorro en el uso de fertilizante y una reducción de las posibles pérdidas de N al medio ambiente.

Introducción

El sistema de ayuda a la toma de decisiones (Decisión Support System, DSS) VegSyst-DSS da recomendaciones de dosis diarias de riego, abonado nitrogenado (N) y concentración de nitrógeno [N] en el fertirriego en cultivos hortícolas de invernadero. Una característica importante de este DSS es su simplicidad habiendo sido diseñado para ser fácilmente adoptado por agricultores o técnicos. Usando las recomendaciones de riego y abonado N del DSS el cultivo va a recibir las cantidades de agua y N necesarias para maximizar la producción evitando aportes de riego excedentarios o deficitarios y pérdidas de N al medio. Actualmente y basándose en un prototipo inicial en Excel, se ha desarrollado una aplicación informática para el VegSyst-DSS programada en lenguaje C # empleado la interfaz visual Winform. En esta primera versión, el DSS se centra en el cálculo del N en fertirriego por ser éste el nutriente más limitante para la producción y el que conlleva más problemas medioambientales cuando es lixiviado a aguas subterráneas. El contexto de este trabajo en la zona de producción hortícola bajo invernadero del SE español, que ha sido declarada como zona vulnerable a la contaminación por nitratos, existiendo actualmente requerimientos legislativos para reducir la contaminación por NO3-. Los elevados niveles de NO3- de esta zona han estado asociados principalmente a la intensidad del sistema y al manejo del N basado en recetas estándar y escasa planificación o monitorización (Thompson et al., 2007).

El VegSyst-DSS incorpora (i) el modelo de simulación VegSyst y (ii) un balance diario de N (Gallardo et al., 2014). Actualmente el modelo VegSyst ha sido calibrado para las principales especies hortícolas de invernadero del SE Español: tomate, pimiento, pepino, calabacín, melón, sandía, berenjena y calabacín. La ventaja de este DSS es que al estar basado en un modelo predictivo, permite planificar el riego y abonado N de acuerdo a las necesidades del cultivo, presentando la flexibilidad de responder a factores como el clima, ciclo de cultivo, y tipo de manejo. El software es adecuado para su uso en cultivos de invernadero en suelo o en sustrato. En este trabajo se presenta una descripción del VegSyst-DSS y ejemplos de uso mediante comparación de varios escenarios de manejo en un cultivo de pimiento en invernadero.

Descripción del VegSyst-DSS

El VegSyst-DSS incorpora (i) el modelo de simulación VegSyst que calcula a una escala diaria las necesidades hídricas y las extracciones de N del cultivo y (ii) un balance diario de N que considera el N mineral presente en el suelo y el N mineralizado desde aplicaciones de materia orgánica. En la Figura 1 se presenta un resumen esquemático de la estructura del DSS. Información detallada sobre el modelo y el DSS se presenta en Gallardo et al. (2014). VegSyst es un modelo de cultivo que simula a una escala diaria la producción de biomasa de cultivos hortícolas de invernadero a partir de estimaciones diarias de la radiación interceptada por el cultivo; a partir de la biomasa y usando una curva de dilución de N calcula la extracción de N. Usando la metodología FAO, el DSS calcula la evapotranspiración del cultivo (ETc), a partir del cálculo de la evapotranspiración de referencia (ETo) usando la ecuación Penman-Monteith o la ecuación de radiación desarrollada por Fernández et al., (2010) para invernaderos en Almería. El empleo de la ecuación de radiación simplifica los datos climáticos necesarios.

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Figura 1: Diagrama esquemático del sistema de apoyo a la toma de decisiones VegSyst-DSS.
El DSS calcula la dosis bruta de riego, la cantidad de fertilizante N diario y la [N] semanal o cada 4 semanas de la solución nutritiva. La dosis bruta de riego es calculada a partir de la ETc y considerando el coeficiente de uniformidad del sistema de riego y una fracción de lavado que depende de la salinidad del agua de riego. El balance diario de N considera el N extraído diariamente por el cultivo que calcula el modelo (demanda de N) y las fuentes de N desde el suelo (N mineral al inicio del ciclo+ N mineralizado desde estiércol u otras fuentes de materia orgánica + N mineralizado desde la materia orgánica del suelo). Se considera que solo una fracción del N presente en el suelo está disponible para el cultivo. Las necesidades diarias de N se obtienen por balance entre la demanda diaria y las fuentes de N del suelo (Figura 1). La cantidad de N necesaria se calcula considerando un coeficiente de eficiencia de la aplicación del fertilizante que oscila entre 0.8 y 0.6 en función del manejo. Finalmente la [N] semanal de la solución se calcula como el cociente entre el N y el riego semanal.

El DSS requiere como información de partida: (i) datos del cultivo, (ii) datos climáticos, (iii) información sobre la uniformidad del sistema de riego y la calidad del agua de riego, (iv) datos de suelo e (v) información sobre aplicaciones previas de materia orgánica. En la tabla 1 se presenta un ejemplo de los datos necesarios para usar el DSS en un cultivo de pimiento tipo California en invernadero en suelo. En caso de no disponer de esta información, es posible usar valores por defecto recomendados en el DSS. Los datos de cultivo son la especie, y las fechas de plantación y final del ciclo. En relación a los datos de clima (temperatura interior y radiación exterior), es posible usar una base de datos históricos, incorporada en el DSS, que permite calcular antes de iniciar el ciclo de cultivo las necesidades de riego y abonado N. Dada la escasa variabilidad climática interanual en Almería, el uso de datos históricos para el manejo predictivo del riego ha sido recomendado en esta zona (Bonachela et al., 2006). El uso de datos históricos ahorra tiempo y evita al usuario la descarga de datos de clima en tiempo real durante el ciclo de cultivo. Se requiere disponer de valores de la transmisividad del plástico (cociente entre radiación solar dentro y fuera) o del nivel de intensidad del encalado aplicado (ligero, medio, espeso). En relación a la instalación de riego, hay que introducir la densidad de goteros, el caudal y la CE del agua de riego. Los datos de suelo son, la densidad aparente, la profundidad efectiva de raíces y la cantidad de N mineral en el horizonte explorado por el cultivo al inicio del ciclo. En relación al estiércol, la fecha de aplicación y el volumen aplicado. Por defecto se considera que la materia orgánica incorporada es estiércol de oveja representativo del usado en invernaderos de Almería. En caso de usar una fuente de materia orgánica distinta al estiércol de oveja que se usa en Almería, habría que introducir información adicional.

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Tabla 1. Datos necesarios para usar el VegSyst-DSS. Ejemplo para un cultivo de pimiento en invernadero en suelo, correspondientes al escenario 3 de la tabla 2. * Valores por defecto

Análisis de escenarios de manejo con el VegSyst-DSS

A continuación se muestra un ejemplo del uso el DSS para el cultivo de pimiento (Tabla 1). Se han comparado los tres escenarios presentados en la Tabla 2, que difieren en la uniformidad del sistema (CU) de riego, la calidad del agua y las fuentes de N del suelo. En primer lugar se compararon los escenarios 1 y 2 en relación al riego. El escenario 1 corresponde a un invernadero con un sistema de riego nuevo o bien mantenido (CU=0.95) y un agua de riego de muy baja salinidad (CE=0.5 dS/m); el escenario 2 a un invernadero con un sistema de riego antiguo o mal mantenido (CU=0.80) y un agua de riego de mayor salinidad (CE=2.5 dS/m). El escenario 2 podría ser más representativo de los invernaderos de Almería.
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Tabla 2. Caracterización de tres escenarios de cultivo de pimiento en invernadero.
En la Fig. 2 se muestran los valores diarios de ETo (Fig. 2a), coeficiente de cultivo (kc) (Fig. 2b) y ETc (Fig. 2c) para el cultivo de pimiento y del volumen de riego (Fig. 2c) para los escenarios 1 y 2 que difieren en la uniformidad del sistema de riego y en la salinidad del agua de riego (Tabla 2). En las figuras 2a y 2c se observa la fecha de retirada del encalado (Tabla 1), aumentando considerablemente las necesidades hídricas en respuesta al incremento en radiación. La ETo decreció a lo largo del ciclo coincidiendo con los meses del invierno mientras que el kc comenzó a decrecer a partir del 1 de enero momento en que se produce un envejecimiento del cultivo debido al frio. Las necesidades de riego en el escenario 1 fueron casi idénticas a la ETc debido al alto CU del sistema de riego y a que debido a la escasa salinidad del agua no fue necesario aplicar un volumen de riego adicional para el lavado de sales. En el escenario 2 se aplicó una fracción de lavado del 18% para evitar la acumulación de sales en la zona radicular y para compensar la falta de uniformidad de la instalación. El volumen total de riego aplicado en el escenario 2 fue 45% superior al del escenario 1 (Tabla 3). En la Tabla 3 se ha incluido un cuarto escenario que representa el manejo del riego y el N de los agricultores. El volumen de riego aplicado por los agricultores se ha calculado a partir de la ETc simulada con VegSyst y los valores del cociente volumen riego/ETc propuestos por Fernández et al., (2007) para pimiento. Se considera que la [N] de la solución fue de 12 mmol/L durante todo el ciclo (Fernández y Camacho Ferre, 2008). El N aportado se ha calculado a partir del volumen de riego y la [N] de la solución. En la tabla 3 se observa que el volumen de riego aplicado por los agricultores fue ligeramente superior a la ETc debido a la tendencia de aplicar riegos de casi tres veces la ETc en las primeras semanas de ciclo pero bastante inferior al riego programado para el escenario 2.
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Figura 2. Evolución estacional de valores diarios de (a) evapotranspiración de referencia (ETo), (b) kc y (c) evapotranspiración del cultivo (ETc), volumen de riego correspondiente al escenario 1 (Riego-1) y al escenario 2 (Riego-2) de un cultivo de pimiento en invernadero. DTT, días después del trasplante. La flecha indica el día de retirada del encalado.
En la figura 3 se muestran los valores acumulados durante el ciclo de cultivo del N aportado por el suelo y las necesidades de fertilizante N en los escenarios 1 y 3 que difieren en las cantidades de N suministradas por el suelo. También se presenta un abonado N representativo del aplicado por los agricultores en pimiento. En el escenario 1, se parte de un suelo donde no hay N mineral al inicio y la única fuente de N para el cultivo es la mineralización desde la materia orgánica del suelo.
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Figura 3. Evolución estacional de valores acumulados de N mineral proveniente del suelo, y N fertilizante para los escenarios 1 (sin N mineral al inicio ni estiércol) y 3 (con 200 kg/ha de N mineral al inicio y aplicación de estiércol) y para un manejo representativo de los agricultores y extracción de N por el cultivo de pimiento.
El escenario 3 corresponde a un invernadero con 200 kg/ha de N mineral al inicio del ciclo en los 30 cm superiores de suelo y un aporte de 50 m3/ha de estiércol de oveja, un año antes de la plantación (Tabla 2). Hubo diferencias apreciables entre los escenarios 1 y 3 en el N aportado desde el suelo con valores totales al final del ciclo de 19 kg/ha en el escenario 1 y 226 kg/ha en el escenario 3 (Figura 3, Tabla 3). Dado que la extracción de N fue la misma en ambos casos, las necesidades de abonado N fueron en el escenario 3 el 60% de las recomendadas en el escenario 1 (Tabla 3). El N aplicado en el escenario representativo de los agricultores fue 1.5 veces el del escenario 1 y 2.7 veces el del escenario 3. Las diferencias estacionales entre las recomendaciones del DSS y los agricultores fueron mayores en las primeras semanas del cultivo.
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Tabla 3. Valores estacionales de distintos outputs del VegSyst-DSS para los tres escenarios de pimiento comparados.
En la figura 4 se presenta la concentración de N ([N]) en la solución nutritiva para los escenarios 1 y 3 durante el ciclo de cultivo de pimiento. Como puede observarse la presencia de N en el suelo al inicio y la mineralización del N desde el estiércol tuvieron un efecto considerable en la [N], que fue considerablemente menor en el escenario 3 durante todo el ciclo del cultivo. En ambos casos la [N] osciló durante el ciclo de cultivo con bajas concentraciones en las etapas iniciales, valores máximos a las 4 semanas desde trasplante cuando la tasa de crecimiento del cultivo es máxima y valores decrecientes hasta el final del ciclo. Si comparamos las recomendaciones del DSS con la [N] de las soluciones nutritivas recomendadas en la zona para cultivo de pimiento por Fernández y Camacho, (2008) indicadas en la Fig. 4 podemos ver las posibilidades de ahorro de fertilizantes N que conlleva el empleo de un plan de abonado diseñado en respuesta a las extracciones de N del cultivo.
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Figura 4. Evolución estacional de la [N] recomendada para el cultivo de pimiento en los escenarios 1 (sin N mineral al inicio ni estiércol) y 3 (con 200 kg/ha de N mineral al inicio y aplicación de estiércol). Se presentan valores de [N] en periodos de 4 semanas. También se presenta la [N] recomendada a los agricultores en pimiento en invernaderos de Almería.

Referencias bibliográficas

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  • Fernández, E.J., Camacho Ferre, F., 2008. Manual práctico de Fertirrigación en riego por goteo. Ediciones Agrotécnicas S.L., Madrid, Spain.
  • Fernández, M.D., Bonachela, S., Orgaz, F., Thompson, R., López, J.C., Granados, M.R., Gallardo, M., Fereres, E., 2010. Measurement and estimation of plastic greenhouse reference evapotranspiration in a Mediterranean climate. Irrig. Sci. 28, 497–509. doi:10.1007/s00271-010-0210-z
  • Fernández, M.D.D., González, A.M.M., Carreño, J., Pérez, C., Bonachela, S., 2007. Analysis of on-farm irrigation performance in Mediterranean greenhouses. Agric. Water Manag. 89, 251–260. doi:10.1016/j.agwat.2007.02.001
  • Fernández Rodríguez, E.J., Camacho Ferre, F., 2008. Manual práctico de fertirrigación en riego por goteo. Ediciones Agrotécnicas S.L., Madrid, Spain.
  • Gallardo, M., Thompson, R.B., Giménez, C., Padilla, F.M., 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. doi:10.1007/s00271-014-0427-3
  • Thompson, R.B., Granados, M.R., Rodríguez, J.S., Martínez-Gaitán, C., Gallardo, M., Fernández, M., Magan, J.J., Giménez, C., 2007. Nitrate leaching loss from an intensive vegetable production system on the Mediterranean coast, in: Bosch, A., Teira, M.R., Villar, J.M. (Eds.), Towars a Better Efficiency in N Use. Editorial Milenio, Lleida, Spain, pp. 373–375.

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