Evaluación de sensores de suelo para la automatización del riego en cultivos hortícolas bajo invernadero

Por ello, se decidió evaluar la automatización del riego de un cultivo en invernadero con tensiómetros con relé-selector. Estos equipos son simples, baratos y fiables, no están afectados por la salinidad del suelo y su rango de trabajo no es normalmente limitante en cultivos hortícolas en suelos enarenados, donde el contenido de humedad se mantiene en torno o por encima de capacidad de campo. Por otro lado, en los últimos años se han desarrollado nuevos sensores que proporcionan un amplio abanico de equipos para controlar el manejo del riego y de la fertilización. También se evaluó el comportamiento de dos equipos que miden el estado hídrico del suelo: ECH₂O 5TE y MPS2 (Decagon Devices Inc., Pullman, USA), y que fueron seleccionados por su sencillez de instalación y manejo, su bajo precio y sus posibilidades de uso en la automatización del riego.

Los ensayos se llevaron a cabo en un invernadero de la Estación Experimental de Cajamar Las Palmerillas, de 630 m² con suelo enarenado, compuesto por una capa de suelo original nivelada, una capa de 30 cm de suelo aportado de textura franca y por último una capa de 10 cm de arena. Se realizaron dos ciclos de cultivo de pepino, uno en otoño (27/09/12 a 26/01/13) y otro en primavera (19/02/13 a 13/06/13). La frecuencia de riegos se automatizó con tensiómetros con relé-selector (ISRA, Irrometer, Riverside, CA, USA). Se instalaron cuatro tensiómetros con relé-selector, a 15 cm de profundidad, sin considerar la capa de arena. Los relés de los tensiómetros se conectaron a un logo (Logic Module, Siemens AG, Munich, Germany) programado para que cuando el potencial matricial (Ψ_m) de al menos dos tensiómetros fuese inferior a -20 kPa activase la demanda del autómata de riego y aplicase un riego de 10 minutos de duración (0,33 L gotero^-1). Además, en cada parcela se instaló un tensiómetro (ISR, Irrometer, Riverside, CA, USA) a 25 cm de profundidad sin considerar la capa de arena. La evaluación consistió en la comparación de las necesidades hídricas del cultivo con los aportes de riego al cultivo con la automatización.

Adicionalmente, se dispuso de una parcela compuesta por cinco ramales de riego, donde se evaluaron los sensores ECH2O 5TE (miden el contenido volumétrico de agua en el suelo, CVA, temperatura y conductividad eléctrica del suelo) y MPS2 (miden el Potencial matricial y la temperatura del suelo) (Decagon Devices Inc., Pullman, USA). Los sensores se instalaron en tres líneas de cultivo de pepino a la misma profundidad (15 cm sin considerar la capa de arena) y a la misma distancia del gotero y la planta (5 cm). En cada una de estas tres líneas se instaló un tensiómetro manual y un sensor MPS2, cada uno a un lado de la planta, mientras que en otra planta se instalaron dos varillas TDR (miniTRASE, Soil Moisture Equipment Corp, Santa Barbara, USA) de 15 cm de longitud a un lado de la planta y un sensor 5TE al otro lado. La evaluación consistió en la comparación de las medidas de los equipos MPS2 y 5TE durante dos ciclos de desecación (8 al 20/12/2012 y 9 al 24/01/2013) donde se llegó a un Ψ_m de aproximadamente –80 kPa, con las medidas efectuadas con los tensiómetros y TDR, respectivamente. Entre ciclos de desecación, el cultivo se regó abundantemente con la misma solución nutritiva que el resto del invernadero para mantener unas condiciones estables de conductividad eléctrica (CE) en el suelo.

Durante los ciclos de desecación se caracterizó el estado hídrico del cultivo mediante la medida del potencial hídrico en hoja (Ψ_h) y tallo (Ψ_t) medido con una cámara de presión (model 3000, Soil Moisture Co, CA, USA). Al final de ambos ciclos, los valores medidos de Ψ_h y Ψ_t en las plantas sometidas a desecación del suelo fueron significativamente menores que en las plantas regadas adecuadamente. Estas diferencias ocurrieron cuando el potencial Ψm medido con tensiómetros alcanzó valores en torno a -50 kPa.

En el ciclo de cultivo de otoño también se evaluaron tres equipos 5TE y MPS2 para su uso en la programación de riego en cultivos hortícolas en invernadero y suelo enarenado. En general, antes de iniciar los ciclos de desecación, cuando se aplicaron frecuencias y dosis de riego normales en el cultivo de pepino, todos los equipos 5TE presentaron aumentos bruscos del CVA durante el riego (aporte de agua) y descensos progresivos entre riegos (consumo de agua), aunque hubo claras diferencias entre los distintos equipos 5TE en los valores absolutos y en la intensidad de estos procesos (Figura 2a). Por el contrario, los equipos MPS2 no presentaron variaciones de Ψ_m durante los riegos cuando el CVA del suelo se mantuvo alto, manteniendo valores prácticamente constantes entre -12 y -13 kPa (Figura 2b).

Figura 2. Dinámica temporal (a) del contenido volumétrico de agua (CVA) y (b) del potencial matricial del suelo (Ψ_m) en un cultivo de pepino sometido a un ciclo de desecación del suelo. Medidas de CVA y Ψ_m realizadas de forma continua con tres equipos 5TE y tres equipos MPS2, respectivamente, y medidas diarias realizadas con un equipo TDR y tensiómetros en los mismos bulbos húmedos.

Durante los ciclos de desecación los valores de CVA medidos con los equipos 5TE fueron claramente inferiores a las medidas del TDR (Figura 3a), sobre todo, en el segundo ciclo de desecación. Dicho error o infraestimación aumentó, en general, al aumentar el CVA del suelo. Saito et al. (2009), Varble y Chávez (2011) y Vaz et al. (2013) también encontraron que los equipos 5TE con la calibración de fábrica infraestiman la medida del CVA del suelo a partir de valores de 0,15-0,20 cm³/cm^-3, siendo el error cada vez mayor a medida que aumentaba el CVA fue claramente mejor en el segundo ciclo de desecación. Este mejor ajuste pudo deberse a que las condiciones del suelo que rodea los equipos se habían homogeneizado al avanzar el ciclo de cultivo y a incluir un rango de CVA del suelo más amplio que en el primer ciclo de desecación. Posteriormente, se determinó una calibración específica del equipo 5TE (ecuación 1) para suelos enarenados utilizando como referencia las medidas del equipo TDR, que ya había mostrado una precisión alta en suelo enarenado (Fernández et al, 2004). En dicha calibración se usaron los datos medidos en el segundo ciclo de desecación porque la conductividad eléctrica del suelo en este periodo estaba próxima a los valores comunes en los suelos enarenados del litoral de Almería y había transcurrido más tiempo para que las condiciones del suelo cercano a los sensores se homogeneizaran:

CVA_TDR = -5 x 10^-5 X³ + 0,0019 * X² -0,005X (1)

donde X es la permitividad dieléctrica medida directamente por el equipo 5TE.

La calibración específica se aplicó a los datos de permitividad dieléctrica medidos con los equipos 5TE en el primer ciclo de desecación, pero no mejoró la precisión de las medidas. Ello pudo deberse al pequeño rango de valores de CVA utilizados en la calibración específica, ya que habitualmente el desarrollo de una ecuación de calibración requiere un rango de valores entre capacidad de campo y punto de marchitez permanente (Topp et al., 1980; Varble y Chávez, 2011). La temperatura, que también influye en el CVA medido por el equipo 5TE, debería considerarse en el proceso de calibración o bien realizar las medidas en los momentos en los que la temperatura fuese similar (Varble y Chávez, 2011). En la calibración específica desarrollada no se ha incluido la temperatura, pero las variaciones de temperatura entre ciclos no fueron importantes (datos no mostrados). Kizito et al. (2008) obtuvieron un efecto de 0,02 cm³/cm^-3 en el CVA cuando la temperatura varió en 10 °C. La falta de precisión también podría deberse a la salinidad. Varble y Chávez (2011) encontraron errores en la medida del CVA con el incremento de CE suelo y estos eran mayores cuando el suelo tenía un mayor contenido de arcilla. Vaz et al. (2013) también indican que en suelos salinos es necesario desarrollar una calibración específica. El fabricante (Decagon Devices, Inc.) indica que la precisión del equipo 5TE no se ve afectada cuando la CE de la solución del suelo es inferior a 10 dS/m. Sin embargo, Ganjegunte et al. (2012) obtuvieron sobreestimaciones de las medidas del CVA con el equipo 5TE en laboratorio y en campo en un suelo franco arcilloso cuando la CE del extracto saturado era de 3,2 dS m^-1. Vaz et al. (2013) también encontraron una significativa desviación del CVA medida con el 5TE cuando la CE (medida en pasta saturada) era de 8 dS/m.

Figura 3. Ajuste lineal de los datos agrupados de los tres equipos 5TE (a) y tres equipos MPS2 (b) en cada uno de los dos ciclos de desecación estudiados. Valores de potencial matricial medidos a primera hora de la mañana durante el periodo de cultivo sin estrés hídrico (Ψ_m>-50 kPa).

Los valores de Ψ_m medidos por los equipos MPS2 fueron claramente inferiores (más negativos) que las medidas de los tensiómetros localizados en los mismos bulbos húmedos (Figura 2b). La comparación de los valores de Ψ_m medidos a primera hora de la mañana, cuando el potencial matricial es más estable, con los equipos MPS2 y tensiómetros mostró un coeficiente de determinación (R²) alto en todos los equipos y ambos ciclos (Figura 3b).

Durante los ciclos de desecación, el rango de valores del potencial matricial en el suelo fue alto (-4 a -82 kPa), valores que causarían estrés hídrico en pepino y en otros cultivos hortícolas en invernadero y suelo enarenado (Thompson et al., 2007). Debido a que los agricultores no van a estresar los cultivos, salvo en manejos muy específicos como favorecer el enraizamiento o aumentar el contenido en azúcares en fruto, parece más lógico analizar el comportamiento de los equipos MPS2 para condiciones en las cuales no hay estrés. Por tanto, la calibración para el equipo MPS2 se realizó comparando los valores Ψ con los medidos con tensiómetro para valores de Ψ >-50 kPa y utilizando los valores medidos a primera hora de la mañana.

Ψ_tensiomet = 0,73 *×Ψ_MPS2 (2)

La precisión del equipo MPS2 midiendo el Ψ_m durante el primer ciclo de desecación mejoró cuando se aplicó la calibración específica. La programación del riego usando Ψ_m como indicador es más fácil de implantar (Hanson et al., 2000) y en numerosos cultivos hortícolas en suelo en invernaderos mediterráneos se han determinado los valores límites de Ψ_m del suelo a partir de los cuales los cultivos sufren estrés hídrico (Thompson et al., 2007; González et al.., 2009). El MPS2 es un equipo robusto (no necesita mantenimiento) que indica bien los cambios de Ψm pero no los valores absolutos, por lo que podría usarse para automatizar la programación del riego siempre y cuando se realicen medida puntuales de seguimiento con equipos más precisos. Además, el MPS2 no mide bien cuando el suelo presenta altos contenidos de humedad (Ψ_m <13 kPa).

Los sensores MPS2 y 5TE tienen la ventaja de requerir una mínima preparación y mantenimiento, pero no son aconsejables para programar el riego con precisión en base a sus valores absolutos, dada la necesidad de usar calibraciones específicas. Sin embargo, sí parece interesante evaluar su uso para automatizar del riego en base a sus medidas relativas o tendencias.

Referencias bibliográficas

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