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La reflectancia de la cubierta vegetal ha demostrado ser eficaz para diferenciar el estado nutricional del tomate de industria en relación al abonado nitrogenado

Evaluación del estado nutricional del cultivo de tomate de industria mediante sensores espectrales

Sandra Millán Arias, Carlos Campillo Torres, Valme González García, Rafael Fortes Gallego y Henar Prieto Losada

Centro de Investigación Científica y Tecnológica de Extremadura (CICYTEX). Departamento de Hortofruticultura. Junta de Extremadura

23/11/2016

El uso de elevadas cantidades de fertilizantes nitrogenados es característico de los sistemas de producción de hortícolas, con lo que un ajuste es necesario. En este trabajo se plantea la verificación, ajuste y puesta a punto de una metodología para la caracterización del estado nutricional nitrogenado del tomate de industria, utilizando medidas de reflectancia de la cubierta vegetal, para lo que se estableció un ensayo con 4 tratamientos de nitrógeno. Las pruebas con diferentes índices, elaborados a partir de medidas de reflectancia de la cubierta vegetal, detectaron diferencias significativas entre tratamientos. Los resultados confirman la validez de estos índices para caracterizar el estado nutricional de cubiertas de tomate de industria desde etapas tempranas de cultivo.

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Introducción

El nitrógeno (N) es un macroelemento que afecta de forma directa al comportamiento de las plantas. La deficiencia en N provoca una reducción en el crecimiento, en la cosecha y la senescencia precoz de las hojas. Sin embargo, el exceso de N puede incrementar el vigor de las plantas, alargando el ciclo de cultivo y retrasando la cosecha. En el tomate de industria, la disponibilidad de N para la planta es un factor clave para asegurar un crecimiento óptimo del cultivo, una buena producción y una buena calidad del producto comercial. En la actualidad, el coste de los fertilizantes nitrogenados es bajo en comparación con otros costes de cultivo, lo que favorece que se produzcan situaciones de sobrefertilización que pueden tener consecuencias negativas para el medio ambiente, tanto por una posible lixiviación hacia acuíferos y cauces de agua, como por la volatilización a la atmósfera, contribuyendo al efecto invernadero. En la actualidad, las Vegas del Guadiana están declaradas como zonas vulnerables a la contaminación por nitratos (Orden de 7 de marzo de 2003) y según la Orden del 6 de agosto de 2009 se limita la aplicación de fertilizantes nitrogenados en tomate de industria hasta un máximo de 200 Kg N/ha (D.O.E. 20/08/2009). Un planteamiento razonable para optimizar el uso del fertilizante nitrogenado es tratar de cuantificar, de la forma más precisa posible, las principales fuentes de nitrógeno para el cultivo, conocer las extracciones del mismo y aplicar el fertilizante necesario para cubrir esas diferencias, ajustándolo al ritmo estacional de extracción. Sin embargo, esa cuantificación previa crea un margen considerable de duda teniendo en cuenta la complejidad del ciclo de nitrógeno. Por otra parte, hay que tener en cuenta que la utilización de nitrógeno por la planta se puede ver afectada por el cultivar, por factores ambientales, las prácticas culturales, el tipo de fertilizantes, y que la disponibilidad de N debe ajustarse al ritmo de extracción, además de la heterogeneidad de suelo existente en las parcelas comerciales. Disponer de un indicador fiable del estado nutricional de la planta puede ser una herramienta muy útil para detectar de forma rápida situaciones de deficiencia y actuar sobre una zona concreta de la parcela antes de que esta deficiencia pueda incidir negativamente sobre la producción, realizando así un abonado de precisión, lo que permitirá evitar la pérdida de producción y el ahorro económico.

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Las medidas en planta son las más adecuadas para realizar un seguimiento de las necesidades de N de las plantas a lo largo del ciclo de cultivo. Pueden ser utilizadas para indicar si la disponibilidad inicial de nitrógeno fue suficiente y, por lo tanto, si es necesaria una aplicación suplementaria. Dentro de las medidas en planta, están recibiendo especial atención las que se basan en la medida de la reflectancia de la cubierta vegetal. La reflectancia se basa en la absorción de la luz por parte de la plata en una longitud de onda específica. Combinando los valores de reflectancia medidos a diferentes longitudes de onda se pueden obtener diferentes índices espectrales, que se ha demostrado que se relacionan de forma consistente con el contenido en pigmentos de la planta (clorofilas, caroteniodes, xantofilas y antocianos), pudiendo ser utilizados como un indicador del estado nutricional del cultivo para el N (Daughtry et al., 2000). Las medidas de reflectacia de la cubierta vegetal se encuadran dentro de lo que se consideran medidas 'remotas', en las que la información sobre el cultivo se obtiene de forma no destructiva y sin que exista un contacto directo con el mismo, por lo tanto, la toma de datos puede ser rápida y automatizada. Un atractivo adicional es que se puede asociar un componente espacial a los datos, geoposicionando cada una de las lecturas, de forma que es posible elaborar mapas de reflectancia de la superficie de cultivo y caracterizar la variabilidad espacial en cuanto a la disponibilidad de nitrógeno, lo que proporciona una información valiosa para la gestión eficiente de la parcela. Estas técnicas permiten estudiar uno de los principales problemas a los que se enfrenta el gestor de parcelas comerciales que es la variabilidad en cuanto a la distribución espacial del N, debido principalmente a la alta solubilidad en agua cuando se encuentra en forma de nitrato. Esto provoca que, en una parcela de cultivo con un tratamiento agronómico homogéneo, se puedan producir situaciones de deficiencia y exceso, y con ello una mayor heterogeneidad de la productividad y la calidad de la parcela.

El objetivo de este trabajo es describir en campo la evolución estacional de los índices más adecuados y valorar la capacidad de los mismos para detectar deficiencias de nitrógeno en el cultivo de tomate de industria, de cara a ser utilizado para verificar las programaciones de abonado en parcelas comerciales.

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Material y métodos

Descripción del ensayo

En el año 2013 se realizó un ensayo de campo en una parcela de la Finca Experimental de La Orden (38º53´ Norte y 6º50´ Oeste) perteneciente al Centro de Investigaciones Científicas y Tecnológicas de Extremadura (Gobierno de Extremadura). El material vegetal empleado fue el híbrido de tomate de industria (Licopersico sculentum, L.) H 9997 (Heinz). La parcela se conformó en camas de cultivo con una distancia entre ejes de 1,5 m. Las plantas de cepellón se trasplantaron en el centro de las camas a una distancia dentro de la línea de 0,2 m. La fecha de trasplante fue el 29 de abril. El riego fue por goteo con una tubería desechable (para 1 campaña) con 1 cinta de riego por hilera de plantas con goteros insertados cada 0,3 metros dentro de la línea de caudal 1 l/h. El riego se programó para cubrir las necesidades hídricas del cultivo a lo largo de todo el ciclo, evitando excesos de agua para minimizar la lixiviación de nitratos, las dosis de riego se aplicaron en función de la evapotranspiración del cultivo (ETc). Se calculó diariamente a través de la expresión: ETc = ETo x Kc, siendo ETo la evapotranspiración del cultivo de referencia, calculado según la fórmula de Penman y Monteith, modificada (Allen et al., 1998), adaptadas a las condiciones locales (Baselga, 1996) y empleando los datos obtenidos en una estación meteorológica cercana a la parcela de ensayo (<1000 m), perteneciente a la red de asesoramiento al regante (REDAREX) (sw-aperos.juntaex.es/redarex/). Kc es el coeficiente de cultivo del tomate según los valores tabulados en FAO 56 (Allen et al, 1998), que posteriormente fueron corregidos por Campillo, (2007) para las condiciones locales de Extremadura.

Tratamientos y diseño experimental

El diseño del ensayo fue de bloques al azar con 4 tratamientos y 4 bloques (repeticiones), lo que supone un total de 16 parcelas elementales. Cada parcela elemental estaba formada por 4 líneas de cultivo de 20 metros de longitud cada una de ellas, añadiendo 2 líneas externas al ensayo como bordes adicionales. Los tratamientos consistieron en 4 niveles diferentes de abonado nitrogenado para el cultivo: N1: 0 unidades fertilizantes de nitrógeno por ha (UF N/ha), N2: 87 UF N/ha N3: 162 UF N/ha y N4: 255 UF N/ha.

Parámetros medidos

Para caracterizar el desarrollo estacional del cultivo se realizaron determinaciones semanales del porcentaje de suelo sombreado por el cultivo, para lo cual se marcó una zona representativa de cada una de las parcelas elementales con un rectángulo de 1,5 x 1 metro de lado, correspondiendo el lado menor a la línea de cultivo. El tanto por ciento de suelo cubierto por el cultivo, en relación a la superficie marcada o porcentaje de suelo sombreado (%SS), se determinó utilizando la metodología puesta a punto en tomate de industria por Campillo et al., (2008). La determinación del desarrollo vegetativo del cultivo también se realizó a partir de la medida de la biomasa, para ello se realizaron cuatro veces a lo largo del ciclo de cultivo, el último de ellos en recolección. En estos muestreos se determinó la producción de biomasa aérea pesada en fresco (04/06/2013, 25/06/2013, 17/07/2013 y 12/08/2013), para lo que se muestreo 1 metro lineal de planta cortando a la altura de la superficie del suelo y separando en vegetación (hojas y tallos), flores y frutos. Cada una de estas partes se pesó en fresco por separado y posteriormente fueron secadas en estufa de ventilación forzada a 65 °C hasta peso contante. En cada muestreo de biomasa se tomó 1 hoja de cada una de las 5 plantas muestreadas (la quinta contada a partir del ápice de crecimiento) y se secó en estufa de ventilación forzada a 65 °C hasta peso constante con molienda posterior para determinar el contenido en N, P y K sobre materia seca, empleando los métodos oficiales de análisis (Ministerio de Agricultura Pesca y Alimentación, 1994). Las medidas de reflectancia de la cubierta vegetal se iniciaron cuando formaban una masa continua en la línea y con una frecuencia entre 1 y 2 semanas. Se efectuaron con un sensor de reflectancia (imagen 1a) Crop Circle ACS-470 (Holland Scientific Inc., Lincoln, NE) a una altura de 70 cm sobre el cultivo, al que se acopló el sistema GPS (Leica) para georreferenciar cada dato obtenido. El sensor incluía tres longitudes de onda diferentes del espectro de reflectancia pudiendo acoplar diferentes lentes en función de la longitud de onda establecida por el usuario (400-800 nm). Para este estudio se seleccionaron R 550 nm (verde), R 670 nm (rojo) y R 760 (cercano al infrarrojo (NIR), estas longitudes fueron seleccionadas después de realizar una calibración inicial previa al ensayo). A partir de estas medidas se elaboraron los índices:

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La base de datos generada fue tratada con el programa geoestadístico ArcGIS para realizar un mapa predictivo de los diferentes índices mediante la técnica del krigeado ordinario (Isaaks and Srivastava, 1989).

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Imagen 1: Medida realizada con Crop Circle ACS-470 a mano (a) y acoplado a tractor (b).

Análisis estadístico

El análisis estadístico de los datos consistió en una ANOVA. Cuando se detectaron diferencias significativas se realizó una comparación de medias aplicando el test de Tukey a un p< 0,05. Se utilizó el paquete estadístico SPSS versión 15 para Windows.

Resultados

Efecto del abonado sobre el desarrollo de la cubierta vegetal

Como se puede ver en la Figura 1, las diferentes dosis de abonado dieron lugar a diferencias estacionales en el desarrollo de la cubierta vegetal. En las etapas iniciales del cultivo, el tratamiento que no recibió aportaciones de nitrógeno (N1) tuvo menor desarrollo de la cubierta vegetal, manteniendo coberturas más bajas que los tratamientos abonados a lo largo de todo el ciclo de cultivo, siendo significativas a partir de los 37 ddt con respecto al tratamiento con mayor dosis de abonado, mientras que N2 y N3 mantuvieron valores intermedios entre ambos y próximos a los de N1. La máxima cobertura del suelo se alcanzó entre 51 y 58 ddt dependiendo del tratamiento, coincidiendo con el final de la floración y el inicio del crecimiento de los frutos cuajados. La evolución de los tratamientos N1, N2 y N3 fue similar con un incremento rápido del área sombreada, hasta ese máximo, para luego iniciar una tendencia decreciente hasta la recolección. Sin embargo, N4 mantuvo el área sombreada más estable a partir del máximo, con una caída sensiblemente menor. En la Figura 2 se observa que a los 36 ddt la producción de biomasa en el tratamiento no abonado era menor que en los otros tratamientos. Diferencias que se mantienen con N4 a lo largo del ciclo de cultivo. En recolección la producción de biomasa de N4 también superó la de los tratamientos intermedios. En el momento de la recolección (tabla 1), el tratamiento N1 fue menos productivo que cualquiera de los otros tratamientos que no difirieron entre sí. Aunque no se obtuvieron diferencias entre el peso de fruto verde y destrío, al considerar la producción total de fruto se establecieron diferencias entre los dos tratamientos más abonados (N3 y N4) con N1 y N2, que en este caso fueron similares. Por lo tanto, el tratamiento más abonado tuvo una producción comercial similar a los tratamientos con menor abonado, pero con mayor producción de fruto no aprovechable y plantas que casi duplicaron la biomasa en hojas y tallos (datos no presentados), lo que a la vista de los resultados se puede considerar como un exceso de vegetación.

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Tabla 1: Producción de Fruto Rojo (F.R.), Verde (F.V.), de Destrío (F.D.) y Total (F.T.).
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Figura 1: Evolución estacional del Porcentaje de Suelo Sombreado (%SS). Cada punto es la media de 4 medidas. Las barras representan el error estándar de la media. Letras diferentes indican diferencias significativas a un nivel de 0,05 en el test Tukey.

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Figura 2: Evolución estacional de la biomasa de hojas y tallos. Cada punto es la media de 4 medidas. Las barras representan el error estándar de la media. Letras diferentes indican diferencias significativas a un nivel de 0,05 en el test Tukey.

Caracterización nutricional del cultivo

El análisis foliar está considerado como un método de referencia para caracterizar el estado nutricional del cultivo. Como se puede ver en la Figura 3, los contenidos de nitrógeno en hoja descienden en los 80 primeros días tras el trasplante en todos los tratamientos, con tendencia a estabilizarse desde este momento hasta la recolección. Partiendo de un mismo valor en todos los tratamientos, a los 57 ddt N1 tenía contenido foliar de nitrógeno más bajo que los demás tratamientos, mientras que al avanzar el cultivo, N1 y N4 se sitúan con menor y mayor contenido y los tratamientos N2 y N3 ocupan una posición intermedia entre ambos.

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Figura 3: Evolución estacional de la concentración foliar de nitrógeno. Cada punto es la media de 4 medidas. Las barras representan el error estándar de la media. Letras diferentes indican diferencias significativas a un nivel de 0,05 en el test LSD.

Caracterización del estado nutricional mediante índices de reflectancia de la cubierta vegetal

Las figuras 4 a, b y c muestran las evoluciones estacionales de los valores de reflectancia de la cubierta vegetal obtenidas para tres longitudes de onda, 550, 670 y 760, así como 5 índices obtenidos a partir de las combinaciones de los mismos (figura 4 d, e, f, g, h e i). Todos los índices utilizados permitieron discriminar entre los tratamientos extremos de abonado desde los primeros días después del trasplante (32 ddt) y en etapas más avanzadas del cultivo fue posible diferenciar entre los tratamientos N1 y N4 respecto de los dos intermedios (N2 y N3). Cualquiera de los 5 índices considerados fue más eficaz para distinguir diferencias en estado nutricional que las medidas efectuadas en cada una de las longitudes de onda utilizadas como referencia de los mismos (550, 670 y 760). Incluso en el caso de la longitud de onda 760 que es la que permitió establecer diferencias más claras, fue mucho menos eficaz que cualquiera de los índices para detectar situaciones de déficit, ya que en ninguno de los días de medida se diferenció de los tratamientos de abonado intermedio (N2 y N3). Aunque se consideró interesante estudiar el comportamiento de la reflectancia a 550 nm (verde), los resultados obtenidos apuntan a un mayor interés de las reflectancias a 670 y 760 nm en cuanto a la respuesta frente a diferentes disponibilidades de nitrógeno, siendo estos los valores dominantes en los equipos comerciales.

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Figura 4: Evolución de las reflectancia a lo largo de tiempo, en las longitudes de onda 550 (a), 670 (b), 760 (c). Evolución de los índices a lo largo del tiempo, NDVI (d), SAVI (e), NDVIG (f), OSAVI (g), NIR/550 (h) y NIR/670 (i).

En la figura 5 se presentan los mapas de reflectancia obtenidos en la parcela de ensayo para cada uno de los 5 índices estudiados a los 71 ddt. En las figuras aparece el tratamiento y bloque que corresponde a cada parcela elemental. En todos los casos podemos apreciar que existen diferencias en los valores adoptados por el índice relacionadas con los tratamientos, distinguiéndose principalmente las parcelas correspondientes al tratamiento N1 (dominando el tono rojo) y N4 (domina el tono verde), mientras que en las correspondientes a los tratamientos N2 y N3 encontramos una coloración más variable. Un aspecto destacable es que este mapeo puso de manifiesto no solo como el tratamiento recibido afectó a cada una de las parcelas concretas, sino que dentro del mismo tratamiento las 4 parcelas no se comportan igual e incluso se observa cierta variabilidad espacial dentro de la misma parcela, a pesar de las dimensiones reducidas de las mismas. En relación con los índices, el NDVIG y el OSAVI permitieron diferenciar visualmente el tratamiento N1 del resto, mientras que el NIR/550 muestra más claramente cuáles son las parcelas correspondientes al tratamiento N4.

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Figura 5: Nivel de reflectancia para cada una de las parcelas experimentales de los 6 índices a los 71 ddt.

Experiencias en parcelas comerciales

Estas mismas medidas de reflectancia se han utilizaron para caracterizar la variabilidad nutricional de un cultivo de tomate de industria en una parcela comercial de 3 has. De esta forma, previamente al análisis de hoja, se realizó una medida con el sensor de reflectancia acoplado a un tractor (imagen 1b), realizando medidas continuas en cada línea de medida y con una distancia entre líneas de medida de 5 metros. A partir del análisis de los datos de reflectancia, y aplicando herramientas de geoestadistica (Krigeado), se realizó un mapa con los diferentes índices propuestos en el trabajo. Con mapa de reflectancia obtenido utilizando el índice NVDI (Figura 6a) se hicieron muestreos de hojas para análisis foliar dirigidos (banderitas rojas en el mapa) a partir de las diferentes zonas establecidas por el NVDI. A partir de ambas medidas se relacionaron las medidas de NDVI con el % de N en hoja en el mismo punto.

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Figura 6: Mapas de NDVI (A) y % de N en hoja (C) realizados en la finca comercial. (B) Relación entre los valores de NDVI y %N medidos en los puntos en rojo señalados en la figura A.

El resultado es la gráfica que se presenta en la figura 6b, donde se aprecia una relación muy estrecha entre las medidas de NDVI y la concentración foliar de N. Esta información, combinada con la figura 6a se utilizó para elaborar un nuevo mapa en el que se reflejó el estado nutricional de las plantas expresado en %N (figura 6c). Este tipo de mapas puede ser interesante para elaborar un plan de abonado en función de las necesidades de cada zona, lo que evitaría aplicaciones excesivas en zonas como la que se ve de color más oscuro en la figura 6a, para poder cubrir las deficiencias de las de color más claro.

Conclusiones

  • La reflectancia de la cubierta vegetal ha demostrado ser eficaz para diferenciar el estado nutricional del tomate de industria en relación al abonado nitrogenado.
  • Los índices que combinan la reflectancia de la cubierta a diferentes longitudes de onda mejoran la capacidad de discriminar diferencias en estado nutricional respecto de las medidas a diferente longitud de onda en sí mismas.
  • Los índices que combinan las medidas a longitudes de onda de 550, 670 y 760 son eficaces para caracterizar el estado nutricional de N de parcelas de tomate de industria, podrían ser aplicables los equipos comerciales disponibles.
  • Los índices de vegetación han resultado muy útiles para la caracterización espacial de las parcelas de cultivo de cara a efectuar muestreos de contenido de Nitrógeno dirigidos, ya que un muestreo efectuado sin un criterio claro puede llevar a una toma de decisiones basada en la información de una porción no representativa de la parcela.

Agradecimientos

Estos trabajos forman parte del proyecto INIA RTA2011-00136-C04-00, Proyecto nº A-E-11- 0255-4 financiado por ROMA.SL y cofinanciado por el Gobierno de Extremadura y ayuda de grupo de investigación GRU 15112 financiado por el Gobierno de Extremadura, ambos proyectos han sido cofinanciados con fondos FEDER.

Referencias biliográficas

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