El riego ha sido decisivo en el aumento de la producción de alimentos para sostener a una población que crece dramáticamente. En la actualidad, el 70% del alimento mundial -300 millones de hectáreas- es producido por la agricultura de riego. Por supuesto, estas hectáreas representan una amplia gama de situaciones de suelos, climas y cultivos, además de distintos niveles de disponibilidad de agua, de situaciones culturales y de sistemas de riego.

Todo esto ha llevado al desarrollo de un sinnúmero de tecnologías de riego, concepto que agrupa a todas aquellas herramientas o prácticas de manejo que nos ayudan a hacer un mejor uso del agua. Estas tecnologías han permitido aumentar los rendimientos y la eficiencia de nuestros sistemas de regadío y es probable que nuestra habilidad para crear nuevas tecnologías definirá la rapidez con la que podremos adaptarnos al cambio climático.

En este artículo, las tecnologías de riego fueron divididas en dos grandes grupos: (1) Sensores y sistemas de monitoreo capaces de proporcionar información sobre los requerimientos hídricos de los cultivos para una toma de decisión informada, y (2) tecnologías inalámbricas que persiguen mejorar la conectividad en el campo para permitir la adquisición de datos en tiempo real y/o el control remoto de válvulas.

La evolución de los sensores

La industria de los sensores es dinámica y diversa. En los últimos años, su crecimiento ha sido impulsado por disminución de costos, reducción en tamaño y facilidad de uso. En paralelo, los sensores se han vuelto más precisos, inteligentes y conectados al mundo. Existe un enorme potencial en mejorar prácticas agrícolas gracias al empleo de información proporcionada por sensores, la cual debe ser procesada e integrada a sistemas de soporte de decisión, para entregar al agricultor información en forma amigable y oportuna.

En general, las tecnologías que buscan determinar el requerimiento hídrico de cultivos han seguido dos tendencias, aquellas que se basan en el balance hídrico del sistema suelo-planta y el estado hídrico de las plantas.

En el primer caso, se considera que el sistema está compuesto por entradas de agua (riego o lluvia), un reservorio donde se acumula (suelo) y salidas de agua (evapotranspiración, escorrentía superficial, percolación profunda, etc.). En la actualidad, existen sensores y modelos que pueden ayudarnos a determinar cada uno de los componentes de este balance.

Por ejemplo, caudalímetros o pluviómetros monitorean las entradas; sensores de humedad de suelo, el agua acumulada, y modelos de evapotranspiración basados en el balance de energía, las salidas. En este último caso, los requerimientos hídricos pueden ser obtenidos monitoreando la evapotranspiración (reponiéndola a través del riego) o el contenido de agua en el suelo (manteniéndolo en un nivel deseado).

Sin embargo, ninguno de estos métodos considera el estrés hídrico de la planta en forma directa, aun cuando hay evidencia que señala que éstas pueden regular el flujo de agua en situaciones de estrés. Es por esto que también existe interés en determinar los requerimientos de agua por medio del estado hídrico de las plantas.

Contenido de agua del suelo

Las técnicas más comunes para determinar el contenido de agua en el suelo están basadas en el contenido gravimétrico, las propiedades eléctricas del suelo, el potencial del agua en el suelo y los métodos radioactivos.

Si bien las técnicas gravimétricas suelen ser consideradas el estándar, su uso requiere de tiempo y trabajo, ya que para determinar el contenido de agua se deben pesar muestras de suelo antes y después de ser secadas en un horno. Para suplir esta deficiencia, varios sensores capaces de medir el contenido de agua del suelo in situ han sido incorporados en el mercado.

Los sensores basados en las propiedades eléctricas del suelo son los más comunes debido a su bajo costo, facilidad de uso y capacidad de adquirir datos en forma continua. Un ejemplo son los sensores de capacitancia, que poseen dos electrodos que detectan la constante dieléctrica del suelo (foto 1a).

Tienen la ventaja de ser económicos, pero dependen del tipo de suelo (requieren de calibraciones en terreno) y presentan un volumen de influencia pequeño, por lo que tienen el riesgo de que sus mediciones no sean representativas, lo que es especialmente importante en cultivos con gran desarrollo radicular.

Los sensores TDR (Time-Domain Reflectometry) también se basan en la constante dieléctrica del suelo y se caracterizan por tener mediciones independientes de la textura y la temperatura. Sin embargo, su costo inicial suele ser más alto que los sensores de capacitancia.

También han sido ampliamente usados sensores basados en la resistencia eléctrica (foto 1b), la que puede ser determinada directamente en el suelo o en un material que está en equilibrio con éste, como yeso o cerámica. El costo de esta tecnología suele ser bajo y su volumen de influencia amplio, ya que muchos de estos sensores basan sus mediciones en el potencial del agua que se encuentra en equilibrio con el medio. Sus desventajas son que requieren de calibraciones individuales y en el caso de los sensores que miden potencial, también de información adicional para convertir sus valores en contenido volumétrico de agua.

Otra alternativa son las técnicas radiactivas, como la dispersión de neutrones, cuyas mediciones son consideradas precisas, pero con un alto costo inicial.

Evapotranspiración del cultivo

Los métodos basados en la estimación de evapotranspiración son probablemente los que presentan un mayor grado de aceptación en la actualidad. Tradicionalmente, la evapotranspiración (ET) ha sido calculada usando estimaciones de evapotranspiración de referencia (ET0), que corresponde a la evapotranspiración de un pastizal con características específicas, el cual se corrige usando un coeficiente de cultivo (Kc) para estimar la evapotranspiración del cultivo (ETc). Sin embargo, los valores de Kc han sido cuestionados, ya que dependen de la localidad y del manejo. A esto se suma que las estaciones meteorológicas no son siempre bien mantenidas, por lo que los valores de ET0 pueden no ser confiables.

La evapotranspiración del cultivo, también puede ser obtenida directamente mediante técnicas como el Surface Renewal, considerada como una alternativa interesante debido a su bajo costo en relación con otras técnicas similares, como el Eddy Covariance o el lisímetro.

Surface Renewal estima ET analizando el balance energético de parcelas de aire que se mueven al interior de la canopia por flujo turbulento. Una termocupla es usada para obtener el flujo de calor sensible; luego esta información junto con valores de radiación neta y flujo calor del suelo son usados para determinar ET (foto 2). Combinando los valores estimados por Surface Renewal y por las estaciones de evapotranspiración de referencia, los coeficientes de cultivos pueden ser estimados para diferentes condiciones de pendiente, exposición, orientación, etc.

Ha habido interés además por desarrollar técnicas basadas en percepción remota por medio de imágenes satelitales o aéreas. Estas generalmente se basan en modelos de balance de energía y radiación neta. Liou and Kar (2014) revisaron distintas técnicas para estimar ET y concluyeron que las precisiones obtenidas varían dependiendo del modelo ocupado y de la escala temporal y espacial utilizada. Adicionalmente, las herramientas de percepción remota pueden ser usadas en conjunto con mediciones de terreno para crear zonas de manejo y definir la posición de sensores o de estaciones de monitoreo.

El centro de innovación UC Davis Chile está liderando en nuestro país las investigaciones relacionadas con la estimación de evapotranspiración. Actualmente, desarrolla un proyecto con VSPT Wine Group, en el cual investigadores de UC Davis (Estados Unidos), con el apoyo de las universidades de Talca y de Tarapacá, están usando estaciones de Surface Renewalpara determinar los requerimientos hídricos de la vid bajo distintos niveles de producción, sistemas de conducción y variedades. El propósito de esta iniciativa es usar la información generada por las estaciones para desarrollar herramientas que permitan mejorar el manejo del riego en la viña.

Estado hídrico de la planta  

El Riego Deficitario Regulado (RDR) busca aumentar la eficiencia en el uso del agua aplicando un riego inferior al requerido para el crecimiento óptimo del cultivo. Este método ha sido sugerido para lugares con escasez de agua, aunque también puede ser usado para mejorar la calidad en cultivos como la vid. El éxito de implementar RDR dependerá de nuestra capacidad para evaluar el estado hídrico de las plantas, ya que el estrés debe mantenerse en un nivel que no genere pérdidas excesivas en la producción.

Métodos basados en el balance hídrico no se relacionan directamente con el estrés hídrico. Esto, debido a que las plantas tienen la capacidad de desarrollar estrategias para tolerar o evitar el estrés, por lo que estas técnicas por sí solas no proporcionan la información necesaria para implementar RDR. Por esta razón, se han hecho esfuerzos por desarrollar sistemas que permitan medir alguna respuesta fisiológica de la planta al estrés.

En la práctica, el éxito del RDR también dependerá de si los agricultores pueden disponer de información sobre el estado hídrico de las plantas en forma oportuna. Actualmente, el estándar para medirlo es la cámara de presión (foto 3b). Sin embargo, esta tecnología no ha sido ampliamente adoptada por los agricultores debido a que sus mediciones requieren de considerable tiempo y trabajo.

Dendrómetros (foto 3c), psicrómetros, porómetros de hoja y sensores de temperatura infrarrojos son tecnologías que pueden ser usadas para medir en parámetros fisiológicos, como la fluctuación diurna del diámetro del tronco (o la hoja), la presión de vapor de una pequeña cámara que se encuentra en equilibrio con el medio líquido al interior de la hoja, o la resistencia estomática.

La apertura estomática tiene además el efecto de enfriar la hoja por medio de la transpiración. Se ha observado que cuando existe estrés hídrico, los estomas se cierran, la transpiración cesa y la temperatura de la hoja tiende a equilibrarse con la temperatura del aire. Sin embargo, la temperatura de la hoja también depende de otras variables microclimáticas, como humedad, temperatura del aire, velocidad del viento y radiación solar. La contribución de estas variables también ha sido estudiada y sistemas compuestos por múltiples sensores han sido desarrollados para estimar el estado hídrico de las plantas (foto 3a).

Tecnologías inalámbricas

Los sensores proximales –que permiten el monitoreo continuo del estado hídrico de las plantas, humedad de suelo o evapotranspiración del cultivo- se han visto enormemente beneficiados por el desarrollo de las tecnologías inalámbricas, que permiten el acceso a la información en tiempo real.

Estos sistemas pueden estar conectados a redes locales, usando nodos inalámbricos de bajo costo y corto alcance, para establecer redes de comunicación, siendo las más comunes las de tipo mesh, en que varios nodos hablan entre ellos para aumentar el rango de alcance, o star, en el cual todos los nodos hablan con un nodo central para adquirir datos en una zona específica (Ver figura 1).

Usualmente, este tipo de redes tienen la capacidad de enviar la información a la web por medio de un computador con conexión a internet o de un módem con servicio habilitado para usar redes de celular.

Una ventaja de estos sistemas es que permiten conectar a varios sensores o válvulas a una misma red. De manera alternativa, cada sensor/válvula puede estar conectado directamente a una red de celular y enviar la información a la web sin la necesidad de estar conectado a una red local mesh o star. Esta opción puede ser una buena alternativa, puesto que es sencilla de instalar y mantener, pero puede ser más cara dependiendo de la cantidad de dispositivos que se quieran conectar y la distancia a la que se encuentren.

En Chile, el acceso a internet en zonas rurales aún es limitado. Habitualmente, las redes de celulares poseen mejor cobertura.

Sin embargo, hay zonas rurales en donde éstas tampoco llegan, pero en esos casos, aún es posible establecer redes locales para disponer de los datos offline u optar por comunicción satelital. Usando tecnologías inalámbricas, los agricultores pueden usar la información de sensores o estaciones de monitoreo para programar el riego, sin la necesidad de realizar labores intensas en terreno.

En cuanto al manejo de riego a distancia, una tecnología disponible son las válvulas solenoides de tipo latching (no requieren estar energizadas para mantenerse abiertas), las cuales son controladas mediante una corriente eléctrica que pasa a través de un solenoide, cuya polaridad determinará si la válvula se cierra o abre. Un ejemplo de una válvula solenoide de tipo latching integrada en una red meshse puede ver en la foto 4.

Esta tecnología tiene varias ventajas: no es necesario ir a terreno para operarla; facilita un mejor registro del agua ocupada, ya que la información sobre cuánto tiempo las válvulas estuvieron abiertas puede almacenarse en un computador o en la web (esto se puede complementar con la información de caudalímetros y/o sensores de presión); y permite la automatización del riego, debido a que un computador puede abrir y cerrar las válvulas a una hora determinada.

Finalmente, es importante destacar que es posible encontrar sinergias entre las tecnologías descritas en este artículo, las cuales pueden ser aprovechadas para desarrollar herramientas robustas que apunten a manejos eficientes en el uso del agua, como lo son el riego de precisión o el RDR.

Alianza UCDavis Chile + Mundoagro

UCDavis ha reconocido la necesidad de poner al servicio del agro no tan sólo conocimiento y capacidades, con el objetivo de desarrollar herramientas biotecnológicas que potencien la productividad y la competitividad de la agroindustria nacional de manera eficiente e innovadora.

Escrito por Francisco Rojo, Investigador Postdoctoral en Tecnologías Agroclimáticas U. de California, Davis en Chile.